A polpação é o processo pelo qual as ligações dentro da estrutura da madeira são rompidas mecanicamente ou quimicamente. As pastas químicas podem ser produzidas por processos alcalinos (isto é, sulfato ou kraft) ou ácidos (isto é, sulfito). A maior proporção de pasta é produzida pelo método do sulfato, seguido dos métodos mecânico (incluindo semi-químico, termomecânico e mecânico) e do sulfito (figura 1). Os processos de polpação diferem no rendimento e na qualidade do produto, e para os métodos químicos, nos produtos químicos utilizados e na proporção que pode ser recuperada para reutilização.

Figura 1. Capacidades mundiais de celulose, por tipo de celulose

Despolpação Mecânica

As pastas mecânicas são produzidas triturando a madeira contra uma pedra ou entre placas de metal, separando assim a madeira em fibras individuais. A ação de cisalhamento quebra as fibras de celulose, de modo que a polpa resultante é mais fraca do que as polpas separadas quimicamente. A celulose de união de lignina a hemicelulose não se dissolve; apenas amolece, permitindo que as fibras sejam retiradas da matriz da madeira. O rendimento (proporção da madeira original na celulose) costuma ser superior a 85%. Alguns métodos mecânicos de polpação também usam produtos químicos (ou seja, as polpas químico-mecânicas); seus rendimentos são menores, pois removem mais materiais não celulósicos.

Na polpação de madeira moída (SGW), o método mecânico mais antigo e historicamente mais comum, as fibras são removidas de toras curtas pressionando-as contra um cilindro abrasivo rotativo. Na polpação mecânica do refinador (RMP, figura 2), que ganhou popularidade depois de se tornar comercialmente viável na década de 1960, lascas de madeira ou serragem são alimentadas através do centro de um refinador de disco, onde são trituradas em pedaços mais finos à medida que são empurradas para fora barras e ranhuras progressivamente mais estreitas. (Na figura 2, os refinadores estão colocados no meio da imagem e seus grandes motores estão à esquerda. Os cavacos são fornecidos pelos tubos de grande diâmetro e a polpa sai pelos menores.) Uma modificação do RMP é a polpação termomecânica (TMP ), em que os cavacos são vaporizados antes e durante o refino, geralmente sob pressão.

Figura 2. Polpa mecânica do refinador

Biblioteca Canfor

Um dos primeiros métodos de produção de polpas químico-mecânicas envolvia toras pré-cozidas no vapor antes de fervê-las em licores de polpação química e, em seguida, moê-las em moedores de pedra para produzir polpas de “madeira química”. A polpação químico-mecânica moderna usa refinadores de disco com tratamento químico (por exemplo, bissulfito de sódio, hidróxido de sódio) antes, durante ou após o refino. As pastas produzidas desta maneira são referidas como pastas químico-mecânicas (CMP) ou pastas químico-termomecânicas (CTMP), dependendo se o refino foi realizado à pressão atmosférica ou elevada. Variações especializadas de CTMP foram desenvolvidas e patenteadas por várias organizações.

Polpação Química e Recuperação

As pastas químicas são produzidas pela dissolução química da lignina entre as fibras de madeira, permitindo assim que as fibras se separem relativamente intactas. Como a maioria dos componentes não fibrosos da madeira é removida nesses processos, os rendimentos são geralmente da ordem de 40 a 55%.

Na polpação química, os cavacos e os produtos químicos em solução aquosa são cozidos juntos em um recipiente de pressão (digestor, figura 3) que pode ser operado em batelada ou continuamente. No cozimento em batelada, o digestor é enchido com cavacos através de uma abertura superior, os produtos químicos de digestão são adicionados e o conteúdo é cozido em temperatura e pressão elevadas. Terminado o cozimento, a pressão é liberada, “soprando” a polpa deslignificada para fora do digestor e para um tanque de retenção. A sequência é então repetida. Na digestão contínua, os cavacos pré-cozidos são alimentados no digestor a uma taxa contínua. Lascas e produtos químicos são misturados na zona de impregnação na parte superior do digestor e, em seguida, passam pela zona de cozimento superior, zona de cozimento inferior e zona de lavagem antes de serem soprados para o tanque de sopro.

Figura 3. Digestor kraft contínuo, com transportador de cavacos em construção

Biblioteca Canfor

Os produtos químicos de digestão são recuperados na maioria das operações químicas de polpação atualmente. Os principais objetivos são recuperar e reconstituir os produtos químicos da digestão do licor de cozimento gasto e recuperar a energia térmica pela queima do material orgânico dissolvido da madeira. O vapor e a eletricidade resultantes suprem algumas, se não todas, as necessidades energéticas da fábrica.

Polpação de Sulfato e Recuperação

O processo de sulfato produz uma polpa mais forte e escura do que outros métodos e requer recuperação química para competir economicamente. O método evoluiu a partir da polpação de soda (que utiliza apenas hidróxido de sódio para a digestão) e começou a ganhar destaque na indústria nas décadas de 1930 a 1950 com o desenvolvimento do branqueamento com dióxido de cloro e processos de recuperação química, que também produziam vapor e energia para a fábrica. O desenvolvimento de metais à prova de corrosão, como o aço inoxidável, para lidar com os ambientes ácidos e alcalinos das fábricas de celulose também desempenhou um papel importante.

A mistura de cozimento (licor branco) é hidróxido de sódio (NaOH, “cáustico”) e sulfeto de sódio (Na₂S). A polpação kraft moderna geralmente é realizada em digestores contínuos geralmente revestidos com aço inoxidável (figura 3). A temperatura do digestor é elevada lentamente até aproximadamente 170°C e mantida nesse nível por aproximadamente 3 a 4 horas. A polpa (denominada pasta marrom por causa de sua cor) é peneirada para remover a madeira crua, lavada para remover a mistura de cozimento gasta (agora licor negro) e enviada para a planta de branqueamento ou para a sala de máquinas de celulose. A madeira não cozida é devolvida ao digestor ou enviada para a caldeira de força para ser queimada.

O licor negro coletado do digestor e dos lavadores de massa marrom contém matéria orgânica dissolvida cuja composição química exata depende da espécie de madeira despolpada e das condições de cozimento. O licor é concentrado em evaporadores até conter menos de 40% de água, sendo então pulverizado na caldeira de recuperação. O componente orgânico é consumido como combustível, gerando calor que é recuperado na parte superior do forno como vapor de alta temperatura. O componente inorgânico não queimado se acumula no fundo da caldeira como um cheiro derretido. O smelt flui para fora do forno e é dissolvido em uma solução cáustica fraca, produzindo “licor verde” contendo principalmente Na dissolvido₂S e carbonato de sódio (Na₂CO₃). Este licor é bombeado para uma planta de recaustificação, onde é clarificado, então reagido com cal apagada
(Ca(OH)₂), formando NaOH e carbonato de cálcio (CaCO₃). O licor branco é filtrado e armazenado para uso posterior. CaCO₃ é enviado para um forno de cal, onde é aquecido para regenerar a cal (CaO).

Polpa Sulfito e Recuperação

A polpação com sulfito dominou a indústria do final de 1800 até meados de 1900, mas o método usado durante essa época era limitado pelos tipos de madeira que podiam ser despolpados e pela poluição criada pela descarga de licor de cozimento residual não tratado em cursos d'água. Métodos mais novos superaram muitos desses problemas, mas a polpação de sulfito é agora um pequeno segmento do mercado de celulose. Embora a polpação com sulfito geralmente use digestão ácida, existem variações neutras e básicas.

O licor de cozimento de ácido sulfuroso (H₂SO₃) e íon bissulfito (HSO₃^-) é preparado no local. Enxofre elementar é queimado para produzir dióxido de enxofre (SO₂), que passa por uma torre de absorção que contém água e uma das quatro bases alcalinas (CaCO₃, a base sulfito original, Na₂CO₃, hidróxido de magnésio (Mg(OH)₂) ou hidróxido de amônio (NH₄OH)) que produzem o ácido e o íon e controlam suas proporções. A polpação de sulfito é geralmente realizada em digestores de batelada revestidos de tijolos. Para evitar reações indesejadas, o digestor é aquecido lentamente a uma temperatura máxima de 130 a 140°C e os cavacos são cozidos por um longo tempo (6 a 8 horas). À medida que a pressão do digestor aumenta, o dióxido de enxofre gasoso (SO₂) é drenado e remisturado com o ácido de cozimento cru. Quando restar aproximadamente 1 a 1.5 horas de tempo de cozimento, o aquecimento é interrompido e a pressão é diminuída pela purga de gás e vapor. A polpa é soprada para um tanque de retenção, depois lavada e peneirada.

A mistura de digestão gasta, chamada de licor vermelho, pode ser usada para recuperação de calor e química para todas as operações, exceto à base de bissulfito de cálcio. Para polpação de sulfito à base de amônia, o licor vermelho diluído é primeiro removido para remover o SO residual₂, então concentrado e queimado. O gás de combustão contendo SO₂ é resfriado e passado por uma torre de absorção onde a amônia fresca se combina com ela para regenerar o licor de cozimento. Por fim, o licor é filtrado, fortificado com SO fresco₂ e armazenado. A amônia não pode ser recuperada porque é convertida em nitrogênio e água na caldeira de recuperação.

Na polpação de sulfito à base de magnésio, a queima do licor de polpação concentrado fornece óxido de magnésio (MgO) e SO₂, que são facilmente recuperados. Nenhum cheiro é produzido neste processo; em vez disso, o MgO é coletado do gás de combustão e abafado com água para produzir hidróxido de magnésio (Mg(OH)₂). ENTÃO₂ é resfriado e combinado com o Mg(OH)₂ em uma torre de absorção para reconstituir o licor de cozimento. O bissulfito de magnésio (Mg(HSO₃)₂) é então fortificado com SO fresco₂ e armazenado. A recuperação de 80 a 90% dos produtos químicos de cozimento é possível.

A recuperação do licor de cozimento de sulfito à base de sódio é mais complicada. O licor esgotado concentrado é incinerado e aproximadamente 50% do enxofre é convertido em SO₂. O restante do sódio e enxofre é coletado no fundo da caldeira de recuperação como um cheiro de Na₂S e Na₂CO₃. O cheiro é dissolvido para produzir licor verde, que é convertido em bissulfito de sódio (NaHSO₃) em várias etapas. O NaHSO₃ é fortificado e armazenado. O processo de regeneração produz gases de enxofre reduzido, em particular o sulfeto de hidrogênio (H₂S)

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