BRPI0609594B1 - processo para a produção de polpa de material lignocelulósico - Google Patents

Abstract

processo para a produção de polpa de material lignocelulósico. a presente invenção refere-se a um processo aperfeiçoado para decompor macromoléculas de lignina e liberar as fibras de celulose no material lignocelulósico, usando reagentes de deslignificação com um agente orgânico gasoso como um meio de aquecimento e de aceleração de reação. o material lignocelulósico é primeiro impregnado com as substâncias químicas reagentes, por exemplo, agentes comumente usados, tais como hidróxido de sódio e sulfito de sódio. subseqúentemente, a energia necessária para as reações de deslignificação é proporcionada por aquecimento com um agente orgânico gasoso, tal como metanol ou etanol, condensação e liberação de energia para o material lignocelulósico sólido. a temperatura durante a etapa de aquecimento com um agente orgânico gasoso é mais alta do que a temperatura durante a etapa de impregnação.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE POLPA DE MATERIAL LIGNOCELULÓSICO".

CAMPO DA INVENÇÃO A presente invenção refere-se a um processo para a produção de polpa. Mais especificamente, a invenção se refere a um processo aperfeiçoado para decompor macromoléculas de lignina e liberar fibras de celulose em material lignocelulósico, usando reagentes de deslignificação com um agente orgânico gasoso, como meio de aquecimento e aceleração de reação.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO A maior parte da polpa para produção de papel produzida no mundo é hoje produzida pelo denominado processo Kraft. A polpação Kraft propicia fibras fortes, um fato que deu ao processo o seu nome. O processo tem, no entanto, a dificuldade de ser muito intenso em capital. Isso é devido à necessidade para um sistema muito complexo para a recuperação de substâncias químicas e tamanhos de unidades muito grandes nos reatores. Os reatores têm de fato ficado tão grandes, que o controle das reações eficazes e das circulações do licor ficaram extremamente difíceis. Os tamanhos das unidades enormes em todas as partes do processo também propicia um inventário em processo muito grande e um processo que reage muito lentamente a, por exemplo, variações de grau, etc. Qualquer aperfeiçoamento que acarretasse um processo mais rápido com retardos em processo mais curtos seria considerado como um grande avanço.

Outro problema relativo ao processo Kraft é o uso de enxofre, que gera maiores quantidades de substâncias químicas em circulação, problemas de odor e que toma a recuperação de substâncias químicas exauridas bastante complicada. Um processo sem enxofre possibilitaria ter processos de queima muito mais eficientes para o material orgânico dissolvido no processo.

Para abordar os problemas de processos lentos e incômodos e livrar-se do enxofre, e freqüentemente todas as substâncias químicas inorgânicas no processo, vários pesquisadores propuseram usar solventes or- gânicos para agir como uma substância química de cozimento e dissolver a lignina, que mantém as fibras de celulose unidas na madeira.

De acordo com J. Gullichsen, C-J Fogelholm, Book 6A, Paper-making Science and Technology, Fapet, 1999, Helsinque, Finlândia, p. B411, os processos de polpação usando solventes orgânicos podem ser classificados da seguinte maneira: - processo de auto-hidrólise, nos quais os ácidos orgânicos, liberados da madeira por tratamento térmico, agem como agentes de deslignifj- cação; - processos catalisados por ácidos, nos quais os agentes ácidos são adicionados ao material; - processos usando fenóis; - processos Organosolv alcalinos; - cozimento com sulfito e sulfeto em solventes orgânicos; e - cozimento usando oxidação de lignina em solvente orgânico. A idéia básica em auto-hidrólise, como explicada, por exemplo, na patente U.S. 3.585.104 (Kleinert), é cozinhar a madeira em solvente a alta temperatura. A alta temperatura propicia hidrólise dos açúcares presentes na madeira, liberando, desse modo, os ácidos. Esses ácidos são depois supostos decomporem-se e dissolverem a lignina juntamente com o solvente. A deficiência do processo é que condições muito severas são necessárias para deslignificar adequadamente a madeira. Isso acarreta perdas no rendimento e baixa qualidade de polpa. Outras tentaram aperfeiçoar a idéia básica, para aperfeiçoar a qualidade da polpa. Uma dessas tentativas é o denominado processo IDE, descrito na patente EP 0 635 080. A idéia é limitar a queda no pH, para preservar a qualidade da polpa. O processo é proposto atingir isso por cozimento usando solvente em contracorrente, removendo, desse modo, os ácidos na medida em que são formados previamente no cozimento, e por adição de álcali, para manter o pH como desejado. O processo nunca possibilitou implementação em escala comercial, possivelmente devido à grande proporção de solvente necessária para manter o fluxo em contracorrente proposto. Além disso, mesmo no laboratório não foi bem-adequado para todas as espécies de madeira.

Se a qualidade da polpa não for considerada como um critério importante {ênfase em valor de subproduto), ácido pode ser adicionado ao sistema para aumentar a velocidade do processo de polpação. Os processos foram, por exemplo, desenvolvidos para o uso de ácidos acético e fórmico como agentes de deslignificação. A deficiência desses processos é que não há mercado para polpa de qualidade inferior e que surgem graves problemas de corrosão no equipamento. O denominado processo Organocell ficou mais próximo de comercialização em grande escala dos processos de polpação usando solvente. Esse processo é uma variante da polpação Organosolv alcalina, usando ação simultânea de soda-antraquinona e solvente orgânico na lignina. O processo pareceu propiciar uma qualidade de polpa aceitável no laboratório, mas quando tentado em escala industrial os resultados foram insatisfatórios.

Todos os processos de polpação empregando solventes orgânicos experimentaram desenvolver substitutos para o processo de polpação Kraft atualmente dominante. No entanto, a polpação Kraft foi constantemente aperfeiçoada nos últimos 100 anos e é hoje bastante eficiente e, desse modo, é difícil competir com ela. Isso pode ser observado do fato de que nenhum processo de polpação de solvente foi provado ser comercialmente viável. Há, no entanto, ainda espaço para aperfeiçoamento no próprio processo Kraft. Por exemplo, os odores do processo são considerados como um problema, pois é fato de que os reatores estão ficando cada vez maiores e de difícil controle. Etapas foram adotadas para aperfeiçoar a polpação Kraft alcalina. Um desses processos é a polpação em fase vapor rápida. A idéia é impregnar a madeira com as substâncias químicas alcalinas, necessárias para as reações em um estágio de impregnação, seguido por aquecimento em uma fase de vapor de água. Isso vai tornar os reatores menores e parcialmente remediar os problemas com o odor, como descrito na patente canadense 725.072. No entanto, o processo não mostrou um aperfeiçoamento suficiente em relação ao processo Kraft em fase líquida - o aumento do rendimento foi muito pequeno e com reatores ainda grandes, acarretando colunas de lascas de madeira muito altas em tase vapor, levando, por sua vez, à compactação e colapso do conteúdo do digestor, desse modo, obstruindo os fluxos e destruindo a qualidade da polpa. À luz da pesquisa atual fica claro que a pesquisa prévia falhou bastante, porque o verdadeiro papel do solvente orgânico não foi identificado. Na pesquisa atual, ficou bastante claro que os solventes orgânicos não participam nas próprias reações, como um solvente de lignina ou substância química ativa, mas têm, de fato, apenas o impacto de proporcionar esse meio reacional de modo a reforçar a eficiência de outras substâncias químicas de deslignificação.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

De acordo com a presente invenção, um processo aperfeiçoado para produção de polpa de material lignocelulósico foi proporcionado.

De acordo com a presente invenção, o material lignocelulósico é primeiro impregnado com substâncias químicas reagentes. Isso pode ser feito por submersão do material em uma solução contendo as substâncias químicas, seguida por uma remoção de excesso de líquido. O líquido pode ser qualquer solução contendo um agente de deslignificação. Os exemplos desses líquidos são soluções aquosas de hidróxido, sulfeto, sulfito, bissulfito, carbonato (por exemplo, os compostos de sódio), dióxido de enxofre, antra-quinona, aminas ou ácidos. A impregnação pode ser também conduzida por contato do material com as substâncias químicas de deslignificação na fase gasosa. Um exemplo dessa é a do dióxido de enxofre, que é absorvido pela umidade das lascas de madeira.

Subseqüentemente, a energia necessária para as reações de deslignificação é proporcionada por aquecimento com um agente orgânico gasoso, condensação e liberação de energia para o material lignocelulósico sólido. Para fins desse relatório descritivo, um agente orgânico gasoso é qualquer material orgânico acima da sua temperatura de ebulição, na pressão do processo no estágio relevante. O agente orgânico gasoso pode compreender várias proporções de vapor ou gotículas, isto é, não precisa estar em um estado completamente gasoso. Os exemplos são álcoois, cetonas e aldeídos alquílicos mais baixos. As misturas de agentes orgânicos podem ser usadas, e o agente pode conter água. Em um processo industrial, não vai ser prático purificar a corrente de agente orgânico circulado. Portanto, a composição vai variar com o tempo e ficar uma mistura de vários compostos voláteis. Para fins da presente invenção, considera-se que o meio de aquecimento é igual ao usado originalmente, desde que pelo menos 50% (em massa) da corrente de aquecimento seja constituída do agente ou agentes orgânicos originais. De preferência, o percentual em massa de agente ou agentes orgânicos, na corrente de aquecimento, é pelo menos 60; particularmente, pelo menos 75, e, especialmente, pelo menos 90.

Os agentes preferidos incluem metanol, etanol, propanol, buta-nol, acetona e qualquer mistura deles.

De preferência, a temperatura durante a etapa de impregnação é na faixa de 20 - 130°C, e a duração dessa etapa é na faixa de 10 - 130 min. A temperatura durante a etapa de aquecimento com um agente orgânico gasoso é mais alta do que a temperatura durante a etapa de impregnação.

De preferência, a temperatura durante a etapa de aquecimento atinge uma temperatura na faixa de 120 - 200°C; a pressão durante a etapa corresponde evidentemente às propriedades físicas do agente orgânico ou mistura dos agentes usados. De preferência, a duração dessa etapa é na faixa de 2 - 400 min.

Um benefício surpreendente é observado quando material pré-impreganado é aquecido por esse meio. Os efeitos benéficos incluem reações muito rápidas, alto rendimento, demanda de energia mais baixa, menor demanda de substâncias químicas de cozimento e menos rejeitos, comparados com a polpação Kraft convencional. Em contraste com o trabalho prévio nos denominados processos Organosolv, a presente invenção não envolve o uso do agente orgânico para dissolver ou reagir coma iignina, mas em vez disso, o agente orgânico proporciona um novo tipo de meio não aquoso para o rápido aquecimento e a aceleração das reações ocorrendo dentro das lascas de madeira impregnadas. O benefício observado do aumento surpreendente na velocidade de deslignificação pode ser utilizado de vários modos, incluindo aqueles mencionados abaixo. Por exemplo, uma unidade industrial de polpação limitada em capacidade de recuperação de substâncias químicas podería produzir mais polpa, devido ao melhor rendimento da polpa e um menor consumo de substâncias químicas de cozimento.

Por outro lado, uma unidade industrial de polpação limitada por volume do digestor poderia beneficiar-se de uma maior produtividade, devido a um processo mais rápido. Poderia usar temperaturas mais baixas e alcançar eficiência térmica. Uma unidade industrial limitada pela linha de alveja-mento poderia deslignificar a madeira ainda no cozimento e, desse modo, aumentar a produção.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO A seguir, o processo da invenção é descrito em detalhes, todos os números de referência relativos à figura 1, que apresenta as etapas essenciais do processo.

Um material lignocelulósico, tal como qualquer tipo de madeira, palha ou bambu, é cominuído em partes facilmente processadas (lascas no caso de madeira; a seguir, faz-se referência a lascas de madeira), como é usual. As lascas de madeira são aspergidas com vapor, para facilitar a remoção de ar, As lascas de madeira aspergidas com vapor (1) são depois colocadas em contato com um líquido contendo reagentes de decomposição de lignina, como descrito acima, a uma alta concentração (2). As lascas de madeira são impregnadas com o dito líquido, sob condições tais que reagentes suficientes são transferidos para as lascas de madeira, para propiciar decomposição da lignina no nível desejado. A dosagem dos reagente e a combinação de tempo e temperatura em ambas as etapas de impregnação e deslignificação são selecionadas, com base no grau desejado de deslignificação. A impregnação usando um composto gasoso pode ser também usada, por utilização de uma substância química, que é enriquecida na umidade presente nas lascas de madeira.

Após a impregnação, o excesso de licor é removido e concen- trado para reutilização (4) e as lascas de madeira são colocadas em contato com um agente orgânico gasoso, na temperatura preferida, isso constitui o estágio de aquecimento (3), no qual o agente orgânico gasoso é introduzido pela linha 5. A condensação do agente orgânico aquecido nas lascas de madeira libera energia, aquecendo, desse modo, as lascas de madeira à temperatura de reação, na qual as lascas de madeira são mantidas por um tempo predeterminado no estágio 6. A temperatura é mantida por adição de agente orgânico, como necessário. Após o tempo de reação, as lascas de madeira são lavadas e resfriadas no estágio 7, de acordo com os processos conhecidos daqueles versados na técnica. Do estágio de lavagem, uma mistura de água de lavagem, substâncias químicas exauridas e agente orgânico é removida na corrente 9. Essa mistura é aquecida para vaporizar o agente orgânico no estágio 10, que é então reciclado para o estágio de aquecimento (3). As substâncias químicas de deslígnificação exauridas são recuperadas por uso de uma técnica adequada, tais como os processos de recausticaçâo atuais, e colocadas de volta na etapa de impregnação pela corrente 11, DESCRICÃO DAS CONCRETIZAÇÕES PREFERIDAS Há vários modos possíveis de utilizar a presente invenção, dependendo de que aspecto da polpação química é considerado como o mais valioso. Abaixo estão uns poucos exemplos do objeto do processo e que possível concretização atingiría esse objetivo.

Em uma variação do processo da presente invenção, com o objetivo de minimizar o tamanho físico de um digestor em batelada, o processo é como descrito a seguir, O digestor é enchido com lascas de madeira, e a impregnação é conduzida por 10 a 120 minutos a 130°C. Após o tempo de impregnação, o licor de impregnação exaurido é retirado e reciclado. As lascas de madeira (sem o licor livre) são depois aquecidas a entre 140 e 20013, deixando-se o metanol gasoso condensar nas lascas de madeira e mantendo-se o digestor nessa temperatura, por todo o período das reações, por adição de metanol gasoso.

Em uma concretização preferida para um processo contínuo, as lascas de madeira são aspergidas com vapor e colocadas em um recipiente de impregnação, no qual são impregnadas com licor branco a 20 - 130°C, por 10 a 120 minutos. O recipiente de impregnação pode ser construído com uma configuração de fluxo de licor concorrente ou contracorrente, de acordo com os princípios conhecidos daqueles versados na técnica. Do recipiente de impregnação, as lascas de madeira são transferidas para o digestor, em cuja parte de topo o licor livre é removido das lascas de madeira, de acordo com os processos da técnica anterior. Quando o licor tiver sido removido, as lascas de madeira são alimentadas para frente, de modo que sejam colocadas em contato com uma atmosfera de vapor de metanol a 140 - 200°C e mantidas nessa temperatura pelo período do tempo de reação. O digestor pode ser similar aos presentes digestores Kraft contínuos ou construído de propósito para a presente invenção.

Em uma concretização preferida da invenção, com o objetivo de minimizar o consumo de vapor da planta de cozimento (batelada ou contínua), a impregnação é conduzida a 30 - 130°C, e uma temperatura de reação de 120 - 140°C é usada, a temperatura de reação sendo no entanto mais alta do que a temperatura de impregnação.

Em uma concretização preferida, com o objetivo de obtenção de uma máxima capacidade de polpação, para uma determinada capacidade de recuperação de substâncias químicas, a impregnação é conduzida usando licor branco diluído, e o tempo de reação é estendido para aquele típico dos digestores da presente geração.

Em uma concretização preferida, com o objetivo de simplificar a recuperação de substâncias químicas, a eficiência de cozimento aperfeiçoada pode ser usada para possibilitar o uso de cozimento desprovido de enxofre, que não requer o uso do denominado ciclo de cal na recuperação das substâncias químicas. Esses processos são polpação de licor verde, polpação usando carbonato ou autocausticação usando boroidreto.

Em uma concretização preferida da presente invenção, ela é usada para polpar matérias-primas diferentes de madeira, tal como palha, junco ou bambu. Devido ao reforço dado ao processo por aquecimento u-sando um agente orgânico, substâncias químicas para degradação de ligni- na menos poderosos, tal como carbonato, podem ser usados no processo.

Além das concretizações apresentadas acima, com base no processo de polpação dominante, o cozimento Kraft, a invenção reforça as reações de qualquer processo de cozimento, tal como cozimento com sulfito e bissulfito.

Exemplos O processo pode ser usado com uma ampla gama variedade de matérias-primas e processos de cozimento. Nos exemplos apresentados a seguir, os dados numéricos para os testes com ambas as polpações de madeira e de palha são apresentados. Todos os testes foram conduzidos usando o mesmo digestor em escala de laboratório. "Vapor" se refere a água em fase de vapor. O digestor usado foi construído de propósito para facilitar o teste dos processos em fase vapor. O projeto inclui uma camisa de aquecimento especial, que impede que o poder de aquecimento do vapor seja gasto no aquecimento do próprio digestor. Esse problema, típico para sistemas em escala de laboratório, não vai surgir em aplicações industriais, pois a razão de peso de madeira para o do equipamento é muito mais alta.

Madeira como Matéria-prima Experimental Madeira: lascas de madeira de serraria de madeira macia fresca, teor de matéria seca de 50%.

Tamanho da Batelada: 400 g de madeira como massa seca em estufa. Substâncias Químicas: licor branco de fábrica.

Tamanho do Digestor: 2.200 mL.

Tabela 1 Quantidades de licor usadas em experimentos de polpação de madeira macia: Tabela 2 Comparação das condições de processo em polpação de madeira macia, usando tecnologia da técnica anterior e da presente invenção. 1 Na polpação convencional, o termo carga de álcali é usado para determinar quanto de substância química é usada. Na polpação em fase vapor, a variável importante é a quantidade de álcali que tenha sido sorvida pela madeira, antes do estágio de reação. Nos exemplos Kraft convencionais e em batela-da, o número se refere à carga de álcali; nos exemplos em fase vapor e da presente invenção, o número foi calculado por subtração da carga de álcali deixada no licor de impregnação exaurido da quantidade originalmente carregada.

Resultados Tabela 3 Resultados da polpação de madeira macia usando tecnologia da técnica anterior e da presente invenção.

Como pode-se notar da Tabela 3, os benefícios da presente invenção são bem claros. Comparada com a dos processos em fase líquida (Kraft em batelada convencional e Kraft em batelada com metanol), a proporção de substâncias químicas no digestor, no estágio de reação, é muito mais baixa. Também, comparada com o de fase vapor sem metanol, a presente invenção oferece um benefício enorme em termos de tempo de reação total e consumo de álcali, O benefício observado no tempo de reação pode ser também traduzido em uma menor necessidade de álcali para o estágio de reação, ou uma temperatura de reação mais baixa, quando do uso do mesmo tempo de reação como para os outros processos, aumentando, desse modo, a flexibilidade do processo.

No exemplo apresentado acima, todos os cozimentos foram conduzidos na mesma temperatura de reação. Portanto, o benefício na ciné-tica de cozimento acelerada pode ser observado diretamente como uma diminuição no tempo de reação. Na polpação química prática, o tempo e a temperatura são usualmente combinados em uma única variável, o denominado fator H. Nos experimentos em temperaturas variáveis, observou-se que os benefícios do presente processo são observados como uma diminuição de quase 50% no fator H necessário para atingir um determinado grau de deslignificação, independentemente da temperatura.

Matérias-primas Diferentes de Madeira A presente invenção é também adequada para uso com outras matérias-primas diferentes de madeira, e também propicia o uso de substâncias químicas de cozimento que, sob circunstâncias normais perderíam o poder de deslignificação, para produzir uma polpa aceitável. A Tabela 5 mostra uma comparação entre o uso de polpação em fase vapor e a presente invenção, para deslignificação de palha, usando apenas carbonato como a substância química de polpação. Ambos os cozimentos foram conduzidos de forma idêntica, exceto para a seleção do meio de aquecimento.

Experimental Matéria-Prima: palha de trigo seca ao ar, teor de matéria seca de 90%. Tamanho da Batelada: 250 g como palha seca em estufa.

Pré-tratamento: a palha foi cortada em pedaços de um comprimento de a-proximadamente 5 cm para fácil manuseio.

Equipamento: polpações da presente invenção e em fase vapor conduzidas no mesmo digestor que nos experimentos com madeira; o experimento de polpação convencional apresentado na Tabela 6 foi conduzido usando um simples digestor de autoclave aquecido com ar.

Tabela 4 Quantidades de licor usadas nos experimentos de polpação de palha: Tabela 5 Comparação de desempenho de polpação de palha de trigo de polpação em fase vapor e da presente invenção, usando Na2CC>3 como o reagente de deslignificação.

Da Tabela 5, pode-se observar claramente como o efeito de aceleração do agente orgânico possibilita produzir polpa com baixo teor de refugos, usando-se apenas carbonato como a substância química de polpação. A polpa produzida com o processo em fase vapor é inútil como polpa para produção de papel, devido ao alto teor de refugos e ao alto teor de lignina. O fato de que nenhum hidróxido de sódio é necessário na presente invenção constitui um imenso benefício em relação aos atuais processos industriais, pois a recuperação das substâncias químicas pode ser bastante simplificada.

Tabela 6 Comparação de desempenho de polpação de palha de trigo da presente invenção, usando Na2C03 e a tecnologia do estado da técnica u-sando NaOH. 1 Aquecimento de 25 - 160°C para o convencional, 90 - 160°C para a presente invenção. 2 No convencional, todo o iíquido usado no cozimento, na presente invenção o iicor livre removido após impregnação. A Tabela 6 mostra uma comparação entre a presente invenção e o processo soda - AQ atualmente industrialmente importante. Como pode-se notar, o rendimento da polpa é superior na presente invenção e nenhum hidróxido de sódio é necessário. Os benefícios da presente invenção são assim dobrados. Os custos de investimento para uma nova planta são mantidos baixos, pois a recuperação de substâncias químicas é simplificada e os custos operacionais são mais baixos, pois menos matéria-prima é requerida para a produção de uma determinada quantidade de polpa.

REIVINDICAÇÕES

Claims (7)

1. Processo para a produção de polpa de material lignocelulósi-co cominuído, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: a) impregnar o material lignocelulósico cominuído em uma fase líquida contendo reagentes frescos, seguida por uma remoção de uma grande parte do líquido circundando o dito material lignocelulósico; e b) aquecimento do dito material lignocelulósico cominuído impregnado a uma temperatura de reação na faixa de 120-200 °C, usando o calor liberado pela condensação de um agente orgânico gasoso em contato com o material lignocelulósico, e manutenção da temperatura por um tempo de reação desejado, a temperatura durante a etapa b) sendo mais alta do que na etapa a).

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o líquido na etapa a) é uma solução contendo pelo menos um do grupo consistindo em hidróxido, sulfeto, antraquinona, carbonato, íons de polissulfeto, ou sulfeto, ou um ácido.

3. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o agente orgânico na etapa b) é um álcool, cetona ou aldeído alifático.

4. Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o agente orgânico é metanol, etanol, propanol, butanol, acetona ou qualquer mistura desses em uma pureza acima de 50%, o resto é água e impurezas.

5. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a temperatura na etapa a) é entre 20 e 130Ό.

6. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a duração da etapa a) é entre 10 e 120 minutos.

7. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a duração da etapa b) é entre 2 e 400 minutos.