PT1115946E - Branqueamento de polpa com consistência intermédia com ozono sem mistura sob elevada tensão de corte - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO

"BRANQUEAMENTO DE POLPA COM CONSISTÊNCIA INTERMÉDIA COM OZONO SEM MISTURA SOB ELEVADA TENSÃO DE CORTE"

Domínio da invenção A invenção diz respeito a um método para se branquear polpa com uma consistência intermédia com um gás contendo ozono. Em especial, a invenção diz respeito à utilização adequada da reacção muito rápida do ozono, proporcionando uma mistura eficiente mas que respeita a polpa logo que se introduz uma quantidade substancial de ozono na polpa.

Estado dos conhecimentos â data da invenção São conhecidos na técnica diversos métodos para o branqueamento de polpa com ozono. Estes métodos têm-se desenvolvido no sentido de se levar a cabo a fase de branqueamento com polpa com consistência média, isto é, com uma consistência de entre 7 e 16 por cento.

Em geral, o branqueamento de polpa com consistência intermédia {MC) com ozono de acordo com a prática corrente pode ser descrito como uma geração de ozono seguida por uma compressão antes de se introduzir o gás que contém o ozono no caudal de polpa MC. Trata-se vigorosamente a suspensão gás-líquido-fibra num ou em diversos misturadores de elevada tensão de corte antes de 2 se encaminhar a polpa para uma torre de branqueamento. O ozono pode ser introduzido em diversos pontos ao longo do caudal de polpa. Têm que ser tratados os gases de escape por causa do excesso de ozono que contêm. O princípio que se descreveu pode ser resultado de uma aplicação de métodos de branqueamento com oxigénio. O oxigénio, no entanto, opera a uma velocidade muito inferior, e as temperaturas que se utilizam são significativamente superiores âs que se empregam no branqueamento com ozono.

Os problemas típicos que sucedem frequentemente provêm da dificuldade em se manter a suspensão uniforme. Ocorre facilmente uma segregação em duas fases, e a velocidade de ozonização decresce marcadamente (para 1 % ou mesmo para 0,1 % da sua velocidade óptima). Isto constitui um problema dominante, que se pode minorar utilizando um ozono de elevada qualidade, resultando numa menor quantidade de gás que não é ozono, e portanto numa menor necessidade de mistura, vigorosa. Uma solução típica no estado actual da té.cnica ê utilizar mais do que um misturador. No entanto isto não elimina o problema, e ao aplicar mais tensão de corte sobre a polpa, afectam-se marcadamente as propriedades mecânicas de resistência do produto resultante.

Um problema de base no que toca aos misturadores citados é o pequeno período de residência, e quando se aumenta o período de mistura, pode ocorrer uma segregação indesejada. 3

Depois de deixar os misturadores, a suspensão gãs-líquido segrega rapidamente a um caudal em duas fases com uma interface gãs-líquido por unidade de volume que ê relativamente pequena. As consequências químicas disto incluem uma capacidade pequena bem como um branqueamento resultante que é não uniforme. Um dado óbvio que testemunha este fenómeno é o excesso significativo de ozono que resta após o passo de branqueamento, e que representa tanto um perigo como uma custo económico.

Descrição da técnica anterior

Descreve-se um método de branqueamento de polpa incluindo a introdução'de ozono sob pressão elevada com um gãs de transporte, num caudal de polpa, com uma mistura vigorosa e com a remoção subsequente do gãs de transporte, por exemplo no EP A 511.433. O problema principal neste documento é a remoção do gãs existente na polpa depois da injecção no misturador: afirma-se que a reacção ocorre essencialmente nos primeiros dez segundos num reactor vertical situado imediatamente a seguir ao misturador fluidizante. Utiliza-se gãs a 10 - 13 bar contendo entre 3 e 10 % de ozono, em peso, (6,8 %, em volume) . A mistura de gãs com polpa é preferivelmente conduzida por um caminho horizontal após o passo reaccional vertical, para se levar a cabo a separação da grande quantidade de gãs de transporte que se utilizou. 0 pedido de patente Austríaco 2.203/93 descreve um método no qual uma polpa com consistência intermédia é tratada com um gãs contendo ozone contendo mais do que 120 4 g de 03/τη3 de gás normal (5,6 %, em volume), no qual o gás é introduzido sob a forma de pequenas bolhas com uma pequena pressão diferencial (preferivelmente menos do que l bar) . Considera-se que utilizando o gás com um conteúdo elevado em ozono, pode suspender-se uma quantidade suficiente de ozono no gás para se conseguir o branqueamento pretendido. Para além disto, o AT 2.203/93 descreve a utilização de misturadores com ou sem efeitos de fluidização, e de um passo de reacção do ozono subsequente a um passo de mistura, bem como de passos adicionais de adição de ozono com passos de desgasificação entre eles. O ozono a alta concentração é caracteristicamente introduzido em misturadores estáticos em diversos pontos, removendo possivelmente o gás de transporte inerte (normalmente oxigénio) entre os passos, e a reacção final entre o ozono e a fibra ocorre num reactor de branqueamento que é tradicionalmente do tipo de caudal ascendente.

Uma caraçteristica comum de diversas publicações descrevendo os processos de branqueamento com ozono para polpas com consistência intermédia, é a utilização de misturadores fluidizantes em ligação com a injecção de gás de transporte de ozono, e a utilização de passos subsequentes, relativamente longos, de reacção, bem como de separação de gás.

Em termos do processo químico, a ozonização de MC pode ser descrita como moléculas de ozono que têm que ser transportadas até à vizinhança de fibra, e reagir com a fibra ou com outros substratos. 0 ozono tem que difundir através da interface gás-líquido, através do líquido e até 5 â fibra. A mistura aplicada afecta as dimensões e a velocidade relativa das bolhas de gás, e também a quantidade de interface fibra-liquido. O passo que limita a velocidade domina por completo a interacção do ozono com o material fibroso é o que envolve o transporte do ozono através da interface gás-líquido. A velocidade de transferência através da interface gás-líquido num volume determinado depende fortemente do tamanho das bolas, isto é, da área superficial em m2 de gás/m3 de suspensão, e da pressão parcial de ozono. Os outros passos que limitam a velocidade da reacção, tais como a difusão através do material fibroso ele próprio, são determinados pela natureza e pela consistência da polpa, que é dominantemente afectada pela temperatura.

Devido à sua dependência . em relação â transferência de màssa, a velocidade reaccional do ozono é, teórica e empiricamente, de primeira ordem.

Em consequência, as soluções eficientes para processamento devem ser caracterizadas por: a distribuição dos tempos de residência (DTR) tem que respeitar um perfil de movimento embolar (em contraste, nos misturadores ocorre amiúde uma segregação), o que torna necessário que uma geometria especial para reactor, para evitar a segregação, por exemplo uma turbina apropriada. bem como a utilização de chicanas. 6 o período médio de residência na transferência/misturador/reactor tem que ser igual aos períodos de transporte e de reacção que correspondem â transformação total do ozono; em consequência o diâmetro do reactor, a sua forma e a velocidade de rotação de uma turbina eventualmente presente têm que ser compatíveis com o caudal. todo o ozono tem que ser introduzido num só passo. O elevado valor da quantidade de gás que não é ozono, isto é a pequena concentração em ozono que se consegue gerar na maior parte dos geradores de ozono actuais, limita as possibilidades existentes para melhorar a situação. Uma concentração mais elevada em ozono nas gerações subsequentes de geradores de ozono diminuirá as necessidades em mistura e os gastos energéticos, bem como a dimensão do equipamento. Concentrações mais elevadas em ozono também levarão a aumentos da taxa de ozonização

Descrição da invenção

De acordo com o método da invenção presente, introduz-se ozono cóm concentração elevada e a alta pressão no caudal de polpa, conseguindo-se deste modo condições que se aproximam das de caudal de êmbolo, obtém-se uma concentração elevada de ozono com uma área de transferência de massa na suspensão que é suficiente para levar a cabo uma deslignificação eficaz. 7

De acordo comum aspecto da invenção presente, introduz-se o ozono utilizando tubeiras de injecção eficazes que proporcionam a dispersão eficiente que é necessária para se obter uma distribuição uniforme bem como a área de transferência de massa suficiente para ultrapassar o limiar., de transferência de massa limitativo da velocidade, que existe nos métodos que constituem a técnica anterior. Deste modo, remove-se a necessidade de se utilizarem misturadores fluidizantes com elevada tensão de corte, que destroem as fibras.

De acordo com outro aspecto da invenção presente, proporciona-se um misturador dinâmico com uma pequena a média intensidade, no caudal da polpa, imediatamente a jusante do local de injecção do ozono. Um tal misturador adiciona à polpa quantidades de energia cinética que são bem menores do que aqueles que asseguram uma fluidização, e não afecta a.fibra do ponto.de vista mecânico.

Por intermédio de tecnologia recente, tal como se descreve por exemplo no Pedido de Patente Sueco 9502339 6, pode gerar-se ozono com uma concentração que vai até 18 a 20 %, em volume. Em publicações da técnica anterior existem referências a concentrações em ozono que vão até 300 g 03/m3 (por exemplo no EP-A-426.652, cuja prioridade é a 31 de Outubro de 1989) , mas estas concentrações não têm sido praticáveis senão muito recentemente. Utilizando uma elevada concentração em ozono (de 300 g por m3 e maiores) e uma pressão elevada (10 . bar, e maiores), em conjunto com uma técnica de injecção adequada, permite-se que a reacção entre o ozono e a fibra ocorra a uma velocidade tal que a δ utilização subsequente de uma torre de branqueamento do caudal a montante se torna desnecessária. A pressão do gás ê obtida utilizando oxigénio previamente comprimido, opcionalmente misturado com outros gases ou líquidos (por exemplo árgon) para se assegurar uma condutividade adequada para a geração do ozono. 0 gás de transporte mais habitualmente utilizado para o ozono é o oxigénio. 0 ozono a alta concentração é geralmente considerado como constituindo um risco de explosão. À medida que se tem desenvolvido a tecnologia para se gerar ozono, o limite máximo da concentração em ozono tem vindo a sofrer aumentos sucessivos, e parece não existir ainda nenhum limite máximo estabelecido para o valor de concentração para a manipulação segura do ozono. Desta forma, pode ainda vir a ser possível utilizar concentrações em ozóno muito elevadas que ainda facilitarão mais a utilização dos métodos da invenção presente. De acordo com a invenção presente a concentração em ozono no gás introduzido no caudal de polpa, é suficiente para se conseguir um branqueamento sem nenhum impacto devido à destruição mecânica da fibra. A distribuição inicial de ozono a alta concentração através da fibra tem importância, para a selectividade, uma vez que a própria componente de hidrato de . carbono pode ser atacada pelo ozono, quando a ele exposta durante um período de tempo suficiente. A ausência de segregação, tal como pode ocorrer nos misturadores de elevada tensão de corte, e a presença de condições de caudal de tipo êmbolo, conjugam-se ambas contra este 9 fenómeno.

Descrição das concretizações preferidas A Figura 1 ilustra uma comparação entre as alterações das velocidades reaccionais ao longo do tempo num processo de branqueamento de polpa com ozono da técnica anterior que utilizava um misturador para consistência intermédia, e um processo de acordo com a invenção presente.

Exemplo 1

Introduz-se um gás com uma pressão de cerca de 15 bar, que transporta ozono o qual se encontra a uma concentração de 14 % em volume, num caudal de polpa de 1000 ton/dia, através de um anel de injectores dispostos radialmente. De preferência os injectores encontram-se dispostos de forma a injectarem o gás radialmente no caudal de polpa, essencialmente numa direcção perpendicular à do fluxo do caudal. Tem . que se utilizar um número de injectores que seja suficiente para distribuir o gás por igual. A esta escala de produção, podem utilizar-se 186 injectores com um. diâmetro interno máximo de 1 mm, Deve assegurar-se um período médio de residência suficiente (10 a 40 segundos) antes de qualquer outra actuação que afecte a polpa.

Exemplo 2

Adapta-se um misturador de intensidade intermédia (de baixa tensão de corte) ao percurso do caudal de polpa 10 do exemplo anterior, preferivelmente logo a montante do local aonde se leva a cabo a injecção do gás. A turbina misturadora tem de preferência dois ou mais parafusos com ângulos das pãs e velocidades de rotação balanceados de modo a manter a distribuição de períodos de residência (DPR) e assegurar uma boa mistura radial. A pã central tem um ângulo mais pronunciado do que a pá do parafuso exterior. Em alternativa podem dispor-se perifericamente, ou na turbina, dispositivos injectores em metal poroso para introduzirem o ozono. A Figura 1 mostra uma comparação entre um sistema que utiliza um misturador tradicional para consistências intermédias possuindo uma capacidade muito elevada para um intervalo muito curto diminuindo rapidamente para zero, e um sistema de acordo com a invenção, com uma capacidade moderadamente levada que se .mantém constante durante um período longo. A linha a tracejado representa a tecnologia de mistura convencional do meio que ê estado da técnica. A primeira secção muito inclinada mostra o efeito do misturador com reacção elevada e distribuição uniforme. A secção de baixa velocidade mostra o efeito da corrupção da interface gás-suspensão. A reacção ocorre com uma distribuição não uniforme e a polpa sofre tensão mecânica devido à mistura sob elevada tensão de corte. A linha a sólido representa um sistema de acordo com a invenção. Todo ao longo do processo, ocorre uma reacção a uma velocidade moderadamente grande, numa polpa minimamente sujeita a tensão e com uma distribuição uniforme de ozono. 11 A Tabela 1 mostra uma comparação em números, entre um sistema de branqueamento convencional MC, um sistema que integra c > estado da técnica, e um sistema de acordo com a invenção presente. Tabela 1 Convencional Moderno Invenção presente Base de Cálculo Unidades Polpa produzida ton OD/dia 1000 Consistência % 10 Pressão de ozono bar 9 Concentração em % em peso 10 ozono % em voi. 7 Carga de ozono (3-5) kg/ton polpa OD . 5 Gerador de ozono kg/h 208 208 208 Caudal volumétrico de m3/s 0,0146 ozono Diâmetro do injector Número de m 0,001 iniectores 186 Processo Temperatura do processo Pressão do °C 40 40 40 processo bar 7 7 15 Caudal de Polpa ton polpa OD/h 42 42 42 Caudal m3/hde volumétrico polpa MC 375 375 375 Carga de gás m3/h à ozono pressão do 234 165 53 proc°, Parte do caudal gasoso que não é % 38 31 12 ozono* Equipamento Compressor de Compressor de Sem compressor de ozono ozono ozono 1-3 misturadores 1+ misturadores Sem misturador Torre de Torre de Pequeno reactor de branqueamento branqueamento branqueamento * Nota: Os problemas do processo são proporcionais à quantidade de gás que não é ozono

Lisboa, 12 de Maio de 2008

Claims (6)

1 RE IVINDI CAÇÕES 1. Método de branquear polpa de celulose com uma consistência de entre 7 e 16 por cento, sem se utilizarem misturadores com elevadas tensões de corte, que inclua a introdução no caudal de polpa, através de dispositivos de injecção com disposição radial, de um caudal de um gás contendo ozono gerado a partir de oxigénio sob pressão ou de uma mistura de oxigénio sob pressão com pelo menos um gás ou um líquido, e contendo uma concentração em ozono de pelo menos 20 %, em peso.

2. Um método de acordo com a reivindicação 1, em que a introdução de ozono seja levada a cabo sob uma pressão de pelo menos 10 bar.

3. Um método de acordo com a reivindicação 1 ou a 2, em que o gás contendo ozono que se referiu seja introduzido através de pelo menos dois injectores adaptados de modo a dirigirem o gás para dentro do caudal de polpa.

4. Um método de acordo com a reivindicação 3, em que os referidos injectores estejam adaptados de modo a dirigirem o gás numa direcção essencialmente perpendicular à do caudal de polpa.

5. Um método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, em que após a injecção do gás, o caudal de polpa seja alimentado a um misturador dinâmico de intensidade pequena a média. 2

6. Um método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, em que o gãs contendo o ozono seja introduzido por intermédio de membros injectores em metal poroso. Lisboa, 12 de Maio de 2008