Veröffentlichungen und Präsentationen

A obtenção de polpa celulósica antecede a produção de papel e envolve a separação das fibras da madeira mediante a utilização de energia mecânica, térmica, química ou a combinação desses processos. Esta operação é realizada em um reator, tubular, cilíndrico e vertical (tipicamente 6 m de diâmetro e 50 m de altura), denominado genericamente de digestor. A madeira é alimentada pelo topo na forma de cavacos.

O processo reativo ocorre à temperatura de 150 °C e pressão de 700 kPa por cerca de três horas, com adição de Sulfato de Sódio e Hidróxido de Sódio, que dissolvem a lignina, a substância que une as células da celulose, e liberam as fibras de celulose. Na saída do digestor os cavacos foram convertidos em uma pasta marrom, denominada de celulose não branqueada. Esse processo é chamado de processo Kraft. O digestor simulado é do tipo convencional, contínuo, de fase vapor, modelo Kamyr.

A simulação, na sua essência, envolve o (1) – o escoamento fluidodinâmico da solução de reagentes (licor) permeando através de um leito poroso com porosidade e permeabilidade variáveis, (2) – as reações químicas entre os reagentes e os cavacos, e, (3) – a troca de calor entre o licor e os cavacos. Estes três fenômenos estão fortemente interligados. O presente estudo aborda a etapa 1.

O escoamento é classificado como “não Darcy” mas com velocidades baixas, descrito pela equação de Ergun modificada. A porosidade (fração de vazios) do leito varia na faixa de 0.3 até 0.6, mas sua variação não é monótona e é associada à pressão exercida sobre os cavacos provocando a deformação do leito e depende de (1) – peso próprio dos cavacos, (2) – empuxo do licor reagente, (3) – atrito junto a parede do digestor, e, (4) – arraste pelo licor (ascendente e descendente). É descrita por uma equação diferencial.

Para simulação com o software COMSOL Multiphysics® foi utilizada a geometria 2D axi-simétrica com a interface física para escoamento em meios porosos, modelo de Brinkman, adaptado para descrever a equação de Ergun. A pressão sobre os cavacos foi descrita pelo acoplamento (complexo) da formulação matemática (PDE) na forma explícita em relação aos coeficientes e que necessitou de estabilização inconsistente calibrada empiricamente. A porosidade e a permeabilidade do leito são dependentes da pressão exercida pelos cavacos que, por sua vez, depende do escoamento do licor.

Mesmo não considerando na geometria do digestor as peneiras para remoção de licor, o perfil do escoamento, a direção de escoamento do licor, a porosidade do leito e os balanços materiais foram coerentes com os resultados esperados. As figuras 1, 2, 3 e 4 são representativas.

As simulações realizadas corroboram a influência da porosidade nas linhas de escoamento de licor e pode ser manipulada pela injeção de licor para evitar problemas operacionais decorrentes da compactação dos cavacos. A velocidade do licor é maior na entrada do digestor diminuindo drasticamente após a zona de cozimento.