refinaciÓn de mezclas de celulosa fibra corta-fibra larga en refinador piloto escher … · 2012....

REFINACIÓN DE MEZCLAS DE

CELULOSA FIBRA CORTA-FIBRA

LARGA EN REFINADOR PILOTO

ESCHER WYSS José Soza y Raúl González M.

Gerencia Técnica, CMPC Celulosa S.A.

ANTECEDENTES

¿Qué es la Refinación?

La refinación es un tratamiento mecánico de las fibras de pulpa, mediante el cual éstas logran características óptimas para ser utilizadas en papeles y cartones.

ANTECEDENTES ¿Qué efectos se produce en la fibra?

Básicamente se producen dos tipos de efectos

a) Los efectos primarios, que corresponden a la fibrilación

externa, fibrilación interna, formación de finos y acortamiento de fibras.

b) Los efectos secundarios, que corresponden a los cambios producidos como consecuencia de los efectos primarios, como por ejemplo flexibilidad, volumen específico y resistencia mecánica.

ANTECEDENTES ¿ Que tipo de refinadores hay?

En el ámbito industrial podemos diferenciar los refinadores de

discos y los cónicos. Algunos equipos favorecen más la fibrilación

que el corte, mientras otros, por ejemplo los cónicos, más el corte

que la fibrilación.

¿Cuales son los parámetros mas relevantes?

Los parámetros más relevantes en el proceso de refinación son: Tipo de refinador, potencia del refinador, potencia en vacío, tipo de cuchillos del refinador, velocidad de rotación, consistencia y flujo volumétrico.

Estas variables permiten determinar la Carga Específica de Borde (CEB), parámetro que permite predecir el comportamiento de las fibras sometidas al refino

ANTECEDENTES Refinador Escher – Wyss de Laboratorio

Tipo : Cónico

Marca : Escher Wyss

Modelo : R1L

Características Físicas

Material de las barras : Acero Cr Ni

Ancho de las barras : 6 mm

Velocidad periférica : 0.7 km/s

Características del Cono

Rotor : R6/0.35/8

Estator : S6/0.35/8

Ángulo de las barras : 8°

Superficie de refinación : 27 cm2

DESARROLLO DEL TRABAJO

•El objetivo principal de este trabajo es determinar :

Las condiciones de refinación mas apropiadas para la pulpa de eucalipto sola y en mezclas con pulpa fibra larga (F.L.) de Pino Radiata manteniendo buenos niveles de resistencia mecánica de la pulpa.

METODO EXPERIMENTAL

Las muestras de pulpas para los ensayos fueron:

• Celulosa F.C. Blanqueada de Eucalipto.

• Celulosa F.L. Blanqueada de Pino Radiata.

Las variables de diseño utilizadas fueron:

- % de celulosa en mezclas de F.C. y F.L.

- CEB.

Se utilizó un diseño experimental tipo rotacional

para 2 variables.

ACTIVIDADES I) Determinación CEB óptima para la refinación de

F.C.

II) Determinación CEB en refinación mezclas F.C. y F.L.

III) Evaluación efecto de aumentar el % F.C. (55, 60, 70 y

85% en peso) en mezclas con F.L.

IV)Refinación mixta o co-refinación y separada para

obtener un producto 60% F.C. – 40% F.L.

RESULTADOS

I Determinación CEB óptima para la refinación de F.C.

Comparar el efecto sobre las propiedades de distintas CEB y

encontrar la carga óptima de refinación para la F.C en

el rango de CEB = 0,4; 0,6 y 0,8 [J/m].

Drenabilidad

Biometría

Prop Estructura

Prop Resistencia

RESULTADOS

II Determinación CEB en refinación 60% F.C. y 40% F.L

Para la mezcla 60% en peso de FC y 40% de FL , se

varió la CEB en el rango 0,8 ; 1,2 y 1,6 [J/m]

Drenabilidad Prop Resistencia

RESULTADOS

III Evaluación efecto de aumentar el % F.C. (55, 60, 70

y 85% en peso) en mezclas con F.L

Se evaluó el efecto sobre las propiedades de la

pulpa al aumentar el % de FC en mezclas con FL

Drenabilidad

Biometría

Prop Estructura

Prop Resistencia

Par IT-IR

RESULTADOS

IV Evaluación de co-refinación contra refinación

independiente en mezcla 60% F.C. y 40% F.L

Drenabilidad

Biometría

Prop Estructura

Prop Resistencia –

Par IT-IR

CONCLUSIONES

1) La refinación de pulpa F.C. desarrolla buenos

niveles de propiedades de resistencia mecánica

(I.T.xI.R.) si la intensidad de refino es del orden de

CEB=0,6 [J/m], y para lograr el I.T.~70 el consumo

efectivo de energía es significativamente menor que la

refinación con CEB=0,8 [J/m]

CONCLUSIONES

2) La refinación de la mezcla de F.C. y F.L. en

proporción 60/40 desarrolla adecuados niveles de

propiedades de resistencia mecánica (par I.T.xI.R.) si

la intensidad de refino es del orden de CEB =1,2 [J/m],

y para lograr un I.T.~70 el CEE es significativamente

menor que la refinación con CEB=1,6 [J/m].

CONCLUSIONES

3) Bajo las condiciones de ensayos definidas y éstas

muestras de pulpas industriales es factible sustituir

hasta un 10% de F.L. por F.C. en mezclas de F.C y F.L.,

manteniendo similares niveles de propiedades de

resistencia mecánica con mejores propiedades

ópticas y de estructura y con una oportunidad de

reducir CEE dependiendo del nivel de refino deseado

o I.T. objetivo.

CONCLUSIONES 4) Para la refinación mixta (o co-refinación) de una mezcla de

pulpa 60% F.C. y un 40% F.L. y la refinación independiente se

tiene

•Para aplicaciones con moderada demanda de I.T.(I.T.<50) la co-

refinación desarrolla mejores propiedades de resistencia

mecánica (par I.T.xI.R.). Para demandas de I.T. superiores a

I.T.=70[kNm/kg] la refinación independiente logra mejor

resistencia mecánica de la pulpa con un menor consumo de

energía

•La refinación independiente permite preservar y obtener mejores

propiedades de estructura (Porosidad y Volumen Específico) y a

un nivel de refino equivalente (igual CEE) la refinación

independiente y mixta presentan similares valores de Opacidad.

A mayor CEB los valores de Drenabilidad (°CSF) de la

pulpa son mayores, para lograr freeness del orden de

300°CSF (~36°SR) las diferencias no son

significativas entre CEB=0,6 y 0,8 [J/m].

Gráfico n°1: Drenabilidad versus CEE

PSF a distintas CEB

50

100

150

200

250

300

350

400

0 10 20 30 40 50 60 70

CEE (kWh/ton)

Dre

nabi

lidad

(°C

SF)

CSF - CEB 0,4

CSF - CEB 0,6

CSF- CEB 0,8

Drenabilidad

A lo largo del proceso de refinación la longitud media

de las fibras disminuye y se observa una

consecuentemente mayor proporción de finos,

aunque en el rango de intensidad de refino estudiado

(CEB=0,4 a 0,8[J/m]) no presentó influencia

significativa en estos resultados

Biometría

Gráfico n°2: Long. de fibra versus Consumo

de Energía PSF a distintas CEB

0,62

0,63

0,64

0,65

0,66

0,67

0,68

0,69

0 10 20 30 40 50 60 70CEE (kWh/ton)

Lo

ng

. de

fib

ra (

mm

)

Ll - CEB 0,4

Ll - CEB 0,6

Ll - CEB 0,8

Gráfico n°3: %Finos versus Consumo

de Energía PSF a distintas CEB

2,6

2,8

3,0

3,2

3,4

3,6

3,8

4,0

4,2

0 10 20 30 40 50 60 70CEE (kWh/ton)

Fin

os

(%

)

Finos- CEB 0,4

Finos- CEB 0,6

Finos - CEB 0,8

A CEB= 0,6 [J/m] obtiene mejor I.T.xI.R. Para lograr el

I.T.~70 el CEE es significativamente menor que la

refinación

Prop. Resistencia

Gráfico n°6: I.Tensión versus I.Rasgado

PSF a distintas CEB

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

6,5

7,0

7,5

8,0

8,5

9,0

9,5

25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

I.Tensión (kNm/kg)

I.Ra

sg

ad

o (

mN

m2

/kg

)

CEB 0,4

CEB 0,6

CEB 0,8

A CEB= En propiedades de estructura a CEB=0,6 y 0,8 no

hay diferencias significativas en Porosidad y V.Específico.

En Porosidad si hay por sobre un CEE de 35 [kWh/ton]

Prop. de Estructura

Gráfico n°7: Porosidad versus Consumo de

Energía PSF a distintas CEB

0

25

50

75

100

125

150

175

200

0 10 20 30 40 50 60 70 80

CEE (kWh/ton)

Po

ros

iad

(s

/10

0m

l)

PORO- CEB 0,4

PORO - CEB 0,6

PORO - CEB 0,8

Gráfico n°9:Vol. específico versus

Consumo de Energía PSF a distintas CEB

1,30

1,35

1,40

1,45

1,50

1,55

1,60

1,65

1,70

0 10 20 30 40 50 60 70 80CEE (kWh/ton)

Vo

l. E

sp

ec

ífic

o (

cm

3/g

)

VE - CEB 0,4

VE - CEB 0,6

VE - CEB 0,8

A mayor intensidad de refino (mayor CEB) los valores

de Drenabilidad (°CSF) de la pulpa son mayores para

igual CEE.

Drenabilidad

Grafico n°10: Drenabilidad vs CEE a distintas

CEB en Mezcla 60%FC-40%FL

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

CEE (kWh/ton)

Dre

na

bili

da

d (

C.S

.F.)

CEB 1,6

CEB 1,2

CEB 0,8

Exponencial

(CEB 1,6)

•A baja intensidad de refino (CEB 0,8 [J/m]) la mezcla

desarrolla bajos valores de I.T .

•Para lograr el I.T.~70 el CEE con CEB=1,2 [J/m] es

significativamente menor que la refinación con

CEB=1,6 [J/m].

Prop. Resistencia


a distintas CEB en Mezcla 60%FC-40%FL

7,0

8,0

9,0

10,0

11,0

12,0

13,0

14,0

15,0

25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80I.Tensión (kNm/kg)

I.Ra

sg

ad

o (

mN

m2

/kg

)

I.R CEB=1,6

I.R CEB=1,2

I.R CEB=0,8

Sobre los 40 [kWh/ton] los valores de Drenabilidad a

un CEE fijo no difieren significativamente para

mezclas con 55% a 85% de F.C

Drenabilidad

Gráfico n°13: Drenabilidad versus CEE variando

% de f.corta en la mezcla - CEB= 1,2 (J/m)

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

CEE (kW h/ton)

Dre

na

bil

ida

d (

CS

F)

Drenabilidad 55% FC

Drenabilidad 60% FC

Drenabilidad 70% FC

Drenabilidad 85% FC

La longitud media de las fibras disminuye

proporcionalmente con el aumento de F.C. en la

mezcla, y consecuentemente el contenido de finos

aumenta con la mayor proporción de F.C. en la

mezcla.

Biometría

Gráfico n°14: Long. de fibra versus CEE

variando % f.corta en la mezcla -CEB=1,2 (J/m)

0,55

0,60

0,65

0,70

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

1,05

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

CEE (kWh/ton)

L.F

ibra

(m

m)

Ll 55%FC

Ll 60%FC

Ll 70%FC

Ll 85%FC

- Las mezclas de 55% a 70% FC tienen I.T.=70 dentro de 60-70

[kWh/ton]. Con 85% no logra I.T=70 dentro de 60-70 [kWh/ton].

- Los CEE para I.T.=70 en las mezclas 55, 60 y 70% de F.C., son

aprox. 42, 65 y 75 [kWh/ton] respectiv.

- Para una refinación mayor a 50 [kWh/ton] con % de F.C. entre

55% y 70% se obtienen valores de I.R. entre 8 a 9 [mNm2/g]

Prop. Resistencia

Gráfico n°16: I.T versus CEE variando %

f.corta en la mezcla - CEB=1,2 (J/m)

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 10 20 30 40 50 60 70 80

CEE (kWh/ton)

I.Te

ns

ión

(k

Nm

/kg

)

I.Tensión 55%FC

I.Tensión 60%FC

I.Tensión 70%FC

I.Tensión 85%FC

Gráfico n°17: I.R versus CEE variando %


7,0

8,0

9,0

10,0

11,0

12,0

13,0

14,0

15,0

0 10 20 30 40 50 60 70 80

CEE (kWh/ton)

I.Ra

sg

ad

o (

mN

m2

/g)

I.R 55%FC

I.R 60%FC

I.R 70%FC

I.R 85%FC

A I.T.=70 las mezclas 60 y 70% de F.C. presentan

similar valor del par I.T.xI.R.

Valores menores de I.T=70, el par I.T.xI.R. a 70%

F.C. es menor al de 60% F.C.

Prop. Resistencia – Par IT-IR

Gráfico n°18: I.T versus I.R variando %


5,0

7,0

9,0

11,0

13,0

15,0

17,0

20 30 40 50 60 70 80

I.Tensión (kNm/kg)

I.Ras

gado

(mN

m2/

g)

55%FC

60%FC

70%FC

85%FC

A partir de 30 [kWh/ton] las mezclas con 70 y 85% F.C. permiten:

a) obtener Porosidades 20 a 100% mayores respecto a mezclas

con menor contenido de F.C

b) obtener Volúmenes Específico al menos 2 % mayor respecto a

mezclas con menor contenido de F.C

En Opacidad las diferencias son de aproximadamente 2 a 4% y

se presentan durante toda la curva de refinación

Prop. de Estructura

Gráfico n°19: Porosidad versus CEE variando

% f.corta en la mezcla - CEB=1,2 (J/m)

0

12

24

36

48

60

72

84

96

0 10 20 30 40 50 60 70 80

CEE (kWh/ton)

Po

ros

ida

d (

s/1

00

ml)

Poro 55%FC

Poro 60%FC

Poro 70%FC

Poro 85%FC

Grafico n°23: Volumen Específico y Opacidad versus CEE para

distintos % de mezcla FC.FL- CEB =1,2 (J/m)

1,30

1,40

1,50

1,60

1,70

1,80

1 11 21 31 41 51 61 71 81

CEE (kWh/t)

Vo

lum

en

Es

pe

cíf

ico

(c

m3/g

)

72

73

74

75

76

77

78

79

80

81

82

Op

ac

ida

d (

%)

VE 55%FC

VE 60%FC

VE 70%FC

VE 85%FC

OPA 85 % FC

OPA 70 % FC

OPA 60% FC

OPA 55 % FC

A un mismo valor de CEE la refinación independiente

respecto a la co-refinación permite obtener un mayor

valor de Drenabilidad. Entre un CEE de 20 a

70[kWh/ton] las diferencias oscilan entre 20 a 50% de

diferencia aproximadamente

Drenabilidad

Gráfico n°24 Drenabilidad versus CEE

- comparación Ref. ind y Corefinacion

0

100

200

300

400

500

600

700

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Drenabilidad COR

Drenabilidad R.I

Para un mismo valor de CEE la refinación independiente respecto

a la co-refinación presenta una longitud media de fibra superior

Biometría

Gráfico n°25 Long de fibra versus CEE


0,70

0,74

0,78

0,82

0,86

0,90

0,94

0,98

1,02

0 10 20 30 40 50 60 70 80

CEE (kWh/ton)

Long

. de

fibra

(mm

)

Ll -RI

Ll -COR

Para aplicaciones con moderada demanda de I.T. (I.T.

<50) la co-refinación desarrolla mejores propiedades de

resistencia mecánica (par I.T.xI.R.). Para demandas de I.T.

superiores a 70[kNm/kg] la refinación independiente logra

mejor resistencia mecánica de la pulpa

Prop. Resistencia – Par IT-IR



7

8

9

10

11

12

13

14

15

10 20 30 40 50 60 70 80 90

I.Tensión (kNm/kg)

I.Ra

sg

ad

o (

mN

m2

/g)

I.R - COR

I.R - R.I

La refinación independiente para conformar una mezcla 60% F.C.

y 40% F.L., permite preservar y obtener valores mayores de

propiedades de estructura (Porosidad y Volumen Específico).

A un mismo valor de CEE el uso de la refinación independiente

permite obtener un mayor valor de porosidad. Sobre un CEE de

40[kWh/ton] esta diferencia es 50% o mayor (figura 23).

Prop. de Estructura

Gráfico n°30: Porosidad versus CEE


0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

CEE (kWh/ton)

Po

ros

ida

d (

s/1

00

ml)

PORO - RI

PORO - COR

Gráfico n°32 Vol. Específico versus CEE


1,30

1,35

1,40

1,45

1,50

1,55

1,60

1,65

1,70

1,75

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

CEE (kWh/ton)

Vo

l. E

sp

ec

ífic

o (

cm

3/g

)

VE - RI

VE - COR

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