Celulose e Papel, Notas de estudo de Engenharia Química

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EEL - USP

PRODUÇÃO INDUSTRIAL DE CELULOSE E PAPEL

LORENA

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Erik Yuji Mine 8597237 Giovani Oliveira Carvalho 8509321 Isadora Gabriela Teixeira 8597133 Jaqueline Brandani 8597303 Juliana Albuquerque 8508852 Lucas Barbosa 8509280 Tayro Toledo 8597290

PRODUÇÃO INDUSTRIAL DE CELULOSE E PAPEL

Trabalho de conclusão de semestre em Introdução a Engenharia Química.

Docente: Prof. Dr. Luís Fernando Figueiredo Faria.

LORENA

RESUMO

Este trabalho tem como principal intuito descrever os processos industriais de fabricação de celulose e do papel, sua história, a demanda e o consumo, e os impactos ambientais deste processo relacionando-o com o tratamento de seus efluentes. A produção da polpa celulósica se divide nas seguintes etapas: preparação da matéria, cozimento, lavagem analí�ca, branqueamento, secagem e embalagem; o processo da produção do papel é semelhante. O processo em si tem como principais fontes de poluição as etapas de preparação da madeira e o branqueamento.

Palavras-chave : procesos industriais; história; demanda e consumo; celulose e papel.

“A persistência é o menor caminho do êxito.”

(Charlie Chaplin)

• Figura 1 Manufatura do papel na an�ga China LISTA DE ILUSTRAÇÕES
• Figura 2 Máquina industrial de fabricação de papel
• Figura 3 Plantação de eucalipto
• Figura 4 Moléculas de glicose dando origem a uma de celulose
• Figura 5 Fluxograma do processo Kraft
• Figura 6 Digestor descontínuo de aquecimento direto
• Figura 7 Digestor descontínuo de aquecimento indireto
• Figura 8 Digestor descontínuo com circulação forçada
• Figura 9 Digestor descontínuo sem circulação forçada
• Figura 10 Fluxograma de etapas de cozimento
• Figura 11 Compreendendo dois lavadores
• Figura 12 Fluxograma de um secador instantâneo ou “flash-dryer”
• Figura 13 Gráfico da produção brasileira de papel no período de
  • 1970-
• Figura 14 Gráfico de comparação da produção brasileira de papel
  • entre os anos de 2011 e
• Figura 15 Gráfico da evolução da produção brasileira de papel do
  • período 2001-
• Figura 16 Gráfico dos dados do comércio de papel da década de
• Figura 17 Mapa brasileiro mostrando os hectares utilizados para
  • plantação em
• Figura 18 Gráfico do comércio (importação e exportação) de papel
  • e celulose no decorrer de 1980-
• Figura 19 Gráfico sobre principais países/continentes para os
• Figura 20 Gráfico das vendas domésticas de papel por mês de quais o Brasil exporta
  • de com comparação com os meses janeiro e fevereiro
• Figura 21 Gráfico mostrando o consumo por pessoa de alguns
  • países incluindo o Brasil do ano de
• Figura 22 Diferenciação entre a molécula de amido e de glicose
• Tabela 1 Tabela da classificação das fibras e exemplos típicos LISTA DE TABELAS
• Tabela 2 Tabela da simbologia dos reagentes do branqueamento
• Tabela 3 Tabela de sequência dos estágios do branqueamento
• Tabela 4 Tabela dos maiores produtores de papel em
• Tabela 5 Tabela de classificação dos principais produtores de - papel dos anos de 1990 e
• Tabela 6 Tabela de taxa de recuperação de papéis em países
• Tabela 7 Quadro sobre o mercado nacional de celulose e papel
• 1 Introdução............................................................................................................. SUMÁRIO
• 2 História da Produção de Papel...........................................................................
  • 2.1 O papel no Brasil..........................................................................................
• 3 Antes do Processo Industrial..............................................................................
  • 3.1 As Plantações das Árvores Utilizadas no Processo.....................................
  • 3.2 Sobre as Plantações de Eucalipto................................................................
• 4 Celulose..............................................................................................................
• 5 Lignina................................................................................................................
• 6 Matéria-prima......................................................................................................
• 7 Processo Industrial da Celulose.........................................................................
  • 7.1 Manuseio da madeira ao chegar à fábrica....................................................
  • 7.2 Preparação da Pasta Celulósica (Deslignificação).......................................
    • 7.2.1 Processo Mecânico (MP).......................................................................
    • 7.2.2 Processo Termomecânico......................................................................
    • 7.2.3 Processo Semiquímico..........................................................................
    • 7.2.4 Processo Químico Kraft.........................................................................
  • 7.3 Digestores.....................................................................................................
    • 7.3.1 Digestores Descontínuos.......................................................................
    • 7.3.2 Digestores Contínuos.............................................................................
    • 7.3.3 Processo Químico de Sulfito..................................................................
    • 7.3.4 Processo Químico de Sulfato.................................................................
  • 7.4 Cozimento.....................................................................................................
    • 7.4.1 Variáveis do Processo de Cozimento.....................................................
    • • Associadas com a Madeira...............................................................................
  • 7.5 Lavagem Alcalina..........................................................................................
  • 7.6 Branqueamento............................................................................................
    • 7.6.1 Efluentes do Branqueamento.................................................................
  • 7.7 Secagem e Embalagem...............................................................................
• 8 Processos industriais do papel...........................................................................
  • 8.1 Preparação da massa...................................................................................
  • 8.2 Etapas de purificação e refino......................................................................
    • 8.2.1 Refinação...............................................................................................
    • 8.2.2 Depuração..............................................................................................
    • 8.2.3 Aditivação...............................................................................................
    • 8.2.4 Caixa de Entrada...................................................................................
    • 8.2.5 Prensagem.............................................................................................
    • 8.2.6 Cilindro Aquecedor.................................................................................
    • 8.2.7 Rebobinamento......................................................................................
  • tipos de papel):....................................................................................................... 8.3 Máquinas para confecção dos produtos (não são padrões para todos os
    • 8.3.1 Colagem.................................................................................................
    • 8.3.2 Calandragem..........................................................................................
    • 8.3.3 Cortadeira..............................................................................................
    • 8.3.4 Peletizadoras.........................................................................................
• 9 Impactos Ambientais do Papel...........................................................................
• 10 Tipos de papel..................................................................................................
  • Peso (gramatura):..............................................................................................
  • Formato:...............................................................................................................
  • Cor:.......................................................................................................................
  • Textura:................................................................................................................
• 11 Fontes de poluição em fábricas de pasta celulósica........................................
• 12 Produção e Consumo no Brasil.......................................................................
  • 12.1 Produção...................................................................................................
  • 12.2 Bracelpa....................................................................................................
  • 12.3 Consumo e Comércio Exterior..................................................................
• 13 Papel Reciclado...............................................................................................
  • 13.1 Vantagens e desvantagens do uso do papel reciclado:.............................
  • 13.2 Perspectivas para o Setor.........................................................................
• 14 Curiosidades....................................................................................................
  • 14.1 Outras Curiosidades..................................................................................
• CONCLUSÃO............................................................................................................
• REFERÊNCIAS.........................................................................................................

peneiras e submetida ao sol para haver a secagem. Quando seca, a pasta dava origem à folha de papel.

Figura 1 – Manufatura do Papel na Antiga China A técnica chinesa foi man�da em segredo por mais de 600 anos, até que, no ano 751, o exército árabe atacou a cidade de Samarcanda - que estava sob domínio chinês - e lá �veram contato com uma fábrica de papel. Técnicos chineses na produção de papel foram levados entre os ca�vos para Bagdá e assim transmi�ram seus conhecimentos aos árabes. Desde então, a produção artesanal do papel se difundiu juntamente com a expansão árabe, chegando ao norte da África, no Cairo e em Damasco, passando pelas mãos dos mouros e posteriormente entrando na Europa nas cidades espanholas de Xàtiva e Toledo. Entretanto, o uso de fibras vegetais para a produção de papel se perdeu em um determinado ponto de sua história. A fábrica de Xàtiva, em 1151, usava somente trapos a serem macerados e este processo só foi alterado cerca de 500 anos depois. No decorrer de muito tempo, desde seu início, até meados do século XVII, a produção de papel era essencialmente manual. Os moinhos de papel eram bastante primitivos, assim as folhas eram produzidas uma a uma e em quantidades pequenas. Até que por volta do ano 1680, na Holanda, começou-se a utilizar forças hidráulicas nos moinhos, forçando grandes pedras umas contra as outras para a preparação das fibras. Esses moinhos foram chamados de “holandesas”, e continuam a serem usados até os dias atuais, com aperfeiçoamentos, mas mantendo seu conceito básico. Em 1774, o químico alemão Scheele descobriu o efeito branqueador do cloro, o que contribuiu com a produção de papel permitindo que fossem usados trapos mais grossos ou coloridos, e assim abriu-se um leque maior de matérias primas. Contudo, a primeira máquina foi inventada em 1799 na França por Nicholas-Louis Robert, que por não possuir recursos financeiros, não conseguiu desenvolvê-la e vendeu seu invento aos irmãos Fourdrinier. Em 1807, na Inglaterra, foi construída a primeira máquina de produção contínua de papel, da qual o conceito ainda é aproveitado.

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Figura 2 – Máquina Industrial de Fabricação de Papel Com a invenção da imprensa em 1450 por Johann Gutemberg, a procura pelo papel aumentou significativamente devido à popularização de livros e um considerável aumento de centros urbanos, os quais foram se formando através de atividades comerciais e industriais. Em virtude desse aumento no consumo, as matérias primas principais, linho e algodão, foram se tornando cada vez mais escassas. Desta forma necessitou-se de uma nova fonte que abastecesse a grande demanda de papel. Foi então que em 1834, o francês Alseme Payende observou, quando estudava a composição química de um componente na parede celular da madeira, um polímero constituído de várias unidades de glicose, a celulose. A celulose é um composto natural existente nos vegetais podendo ser encontrada nas raízes, troncos, folhas, frutos e sementes. A partir de então, a celulose passa a ser a matéria prima mais utilizada. Assim, a madeira substitui o tecido, retornando ao princípio original de se utilizar fibras vegetais para a produção de papel.

O papel no Brasil

A primeira fábrica de papel no Brasil foi construída no Andará Pequeno – Rio de Janeiro – entre os anos 1809 e 1810 por Henrique Nunes Cardoso e Joaquim José da Silva, com o intuito de se utilizar fibra vegetal como matéria-prima. Em 1837, André Gaillard monta uma fábrica também no Rio de Janeiro e em 1841, Zeferino Ferraz instala sua fábrica no Engenho Velho. Por ter origem de florestas plantadas, o papel produzido no Brasil é um bem renovável. E ainda há a busca de produção mais limpa e sustentável. Nos dias de hoje o Brasil além de abastecer o mercado interno, exporta para países da União Europeia, América Latina e do Norte.

Antes do Processo Industrial

As Plantações das Árvores Utilizadas no Processo

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Figura 3 – Plantação de eucalipto Alguns dos impactos negativos são: a desertificação e erosão do solo,

diminuição da biodiversidade, a especialização da atividade produtiva, entre outros.

Celulose

A celulose, composto natural existente nos vegetais, pode ser encontrada nas raízes, troncos, folhas, frutos e sementes das árvores. Ela é um dos principais componentes das células vegetais que, por terem forma alongada e pequeno diâmetro, são frequentemente chamadas de “fibras”. Os outros componentes encontrados, entre os principais, são a lignina e hemiceluloses.

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Figura 4 – Moléculas de glicose dando origem a uma de celulose.

A celulose (C 6 H 10 O 5 )n é um polissacarídeo formado pela união de moléculas de β-glicose, dando origem a um polímero linear. Sua hidrólise completa produz a glicose. Tem estrutura fibrosa e úmida, na qual se estabelecem múltiplas pontes de hidrogênio entre os grupos hidroxilas das distintas cadeias justapostas de glicose, tornando-as impenetráveis a água e, portanto, insolúveis, dando origem a fibras compactas que constituem a parede celular dos vegetais. Dois tipos de celulose, com diferentes características físicas e químicas, são utilizados na produção de papel: celulose de fibra longa ou de fibra curta. A primeira, originária de espécies coníferas como o pinus, plantada no Brasil, tem comprimento entre 2 e 5 milímetros. É utilizada na fabricação de papéis que demandam mais resistência, como os de embalagens, e nas camadas internas do papel cartão, além do papel de jornal. Já a segunda, com 0,5 a 2 milímetros de comprimento, deriva principalmente do eucalipto. Essas fibras são ideais para a produção de papéis como os de imprimir e escrever e de fins sanitários (papel higiênico, toalhas de papel, guardanapos). As fibras do eucalipto também compõem papéis especiais, entre outros itens. Elas têm menor resistência, com alta maciez e boa absorção (BRACELPA, 2013). A preparação da pasta celulósica para papéis ou outros fins consiste na separação das fibras dos demais componentes constituintes do organismo vegetal, em particular a lignina, que atua como um cimento, ligando as células entre si, proporcionando rigidez à madeira. A pasta celulósica processada, posteriormente, é destinada a fabricação de papel, viscose (fio), nitrocelulose, entre outros.

Lignina

A lignina é uma substância química que confere rigidez à parede da célula, e nas partes da madeira, age com um agente permanente de ligação entre as células, gerando uma estrutura resistente ao impacto, compressão e dobra. Pelo decréscimo que causa na permeação de água através das paredes celulares dos tecidos condutores do xilema, a lignina tem uma atuação importante no intrincado transporte interno de água, nutrientes e metabolitos. Tecidos lignificados resistem ao ataque por microrganismos, impedindo a penetração de enzimas destruidoras da parede celular.

Matéria-prima

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A madeira ao chegar à fábrica antes de ser utilizada para o processo de celulose

é encaminhada para o pátio de madeiras, onde passará pelos seguintes processos:

• Descascamento – Para a produção de celulose, a madeira geralmente é

descascada devido sua casca possuir fibras que não são muito úteis no

processo e acabam por também diminuir o rendimento da celulose. Alguns

dos fatores que atuam como variáveis para a realização do descascamento

seria a forma da madeira e a quantidade de energia para separar as partes

externa e interna da madeira. Inicia-se com a alimentação da madeira em

forma de toras que tem por finalidade alinhá-las. Como foram desenvolvidas

diversas técnicas para a remoção de casca consequentemente surgiram

também diversos equipamentos sendo os descascadores mais comuns o

tambor, bolsa, anel, corte hidráulico e faca. As cascas podem ser utilizadas

como combustíveis das caldeiras para gerar o vapor necessário ao processo.

• Picagem – O principal objetivo da picagem seria reduzir a tora em fragmentos

para facilitar a penetração do licor de cozimento dos processos químicos e

semiquímicos. Assim como no descascamento também apresenta variáveis

que influem no processo como a direção e a velocidade da tora que adentra

no picador, o ângulo de corte das facas, a velocidade de corte e a troca

constante das facas. Antes da alimentação do picador as toras são lavadas

para retirar areia e terra com o intuito de diminuir o desgaste das facas do

picador. Existem basicamente dois tipos de picadores: de disco com múltiplas

facas e de tambor. Após a picagem há uma classificação para distinguir os

cavacos superdimensionados, que são repicados, e finos, que são

processados separadamente ou então queimados.

• Estocagem – A madeira pode ser estocada em forma de toras ou cavacos.

Quando em forma de toras pode ser feita a estocagem em uma única pilha ou

várias, em forma de fileiras espaçadas uma das outras. Já na forma de

cavacos pode ser feita em silos ou pilhas ao ar livre. Os silos geralmente

estão localizados sobre os digestores ou no chão. Uma vez localizados sobre

os digestores requerem estruturas dispendiosas, além de serem de

capacidade limitada.

Preparação da Pasta Celulósica (Deslignificação)

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Existem diferentes métodos que podem ser aplicados para a preparação da pasta celulósica, desde os puramente mecânicos até os químicos, nos quais a madeira é tratada com produtos químicos pela ação do calor e pressão, com a finalidade de dissolver a lignina.

Processo Mecânico (MP)

Toras de madeira são prensadas a úmido contra um rolo giratório, cuja superfície é coberta por um material abrasivo, reduzindo-as a uma pasta fibrosa denominada pasta mecânica. No entanto, não é possível separar completamente as demais fibras constituintes do vegetal com esse tipo de processo, obtendo-se então uma pasta barata de aplicação limitada, pois o papel produzido a partir dela tende a escurecer (envelhecer) com certa rapidez, mesmo depois de passar pela etapa de branqueamento, devido à oxidação da lignina residual. Portando, a pasta mecânica é utilizada para a fabricação de papel para jornal, livros de segunda, catálogos, revistas, papéis absorventes (guardanapos, toalhas e higiênicos), papéis para parede papelão.

Processo Termomecânico

A madeira, sob a forma de cavacos, é aquecida com vapor a uma temperatura de aproximadamente 140°C, provocando uma transição do estado rígido para um estado plástico da madeira, bem como da lignina. Segue-se, então, para o processo de desfibramento em refinador a disco. Esse processo possui menor rendimento comparado ao processo mecânico, porém a celulose resultante para a produção de papel apresenta melhor qualidade, pois proporciona maior resistência mecânica e melhor imprimibilidade.

Processo Semiquímico

Ocorre a adição de produtos químicos em baixas porcentagens para facilitar a desfibragem, sem, todavia, reduzir demasiadamente o rendimento. A pasta resultante é empregada para a produção de papelão corrugado, papel de jornal, papéis absorventes, papel para impressão, escrita e desenho.

Processo Químico Kraft

A madeira, em forma de cavacos, é tratada com uma solução de soda cáustica (NaOH) e sulfeto de sódio (Na 2 S), denominada "licor branco", em vasos de pressão, digestores, durante a etapa de cozimento, na qual ocorrerá a extração da celulose. Nesse processo, obtém-se um subproduto denominado "licor negro" ou "licor preto". Este contém parte da lignina dissolvida mais reagentes químicos do "licor branco". O "licor negro" apresenta grande importância nesse processo, pois pode ser utilizado como fonte de energia (combustível) em caldeiras de recuperação, as quais funcionam como reatores. Além disso, também é destinado a combustão, gerando calor e vapor, e assim recuperando em forma de cinza fundida, denominada smelt, que contém, principalmente, carbonato de sódio e sulfeto de sódio, produtos químicos utilizados no processo de cozimento da madeira. O processo de recuperação de produtos químicos traduz, portanto, grandes vantagens econômicas e ambientais.

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Figura 5 – Fluxograma do processo kraft. Fonte: Morkfienski,

Digestores

Os digestores ou cozinhadores são vasos de pressão onde os cavacos de madeira são tratados com licor de cozimento de composição determinada, à pressão e temperatura estabelecidas, visando à produção da pasta. Os digestores podem ser classificados em contínuos e descontínuos, sendo que os descontínuos podem ter aquecimento de forma direta ou indireta.

Digestores Descontínuos

Nos digestores descontínuos, o cozimento é feito em bateladas, sendo dividido nas seguintes etapas: alimentação com cavacos pela parte superior do

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digestor, alimentação com licor, aquecimento, alívio de gases e descarga. No entanto, o aquecimento pode ser divido em direto ou indireto. No digestor com aquecimento direto, o vapor é aplicado no fundo do digestor conforme a Figura 2.

Figura 6 - Digestor descontínuo de aquecimento direto. Fonte: Morkfienski, 2005.

Já no digestor com aquecimento indireto, o cozimento consiste em retirar o licor do digestor, por meio de uma bomba de circulação, aquecê-lo em um trocador de calor e devolver o licor ao digestor.

Figura 7 - Digestor descontínuo de aquecimento indireto. Fonte: Morkfienski, 2005. É necessário realizar a homogeneização do sistema. Esta pode ocorrer com ou sem circulação forçada. Com a circulação forçada o licor é retirado por sucção, normalmente pelo ponto médio do digestor, e devolvido ao sistema pelo ponto superior e inferior do digestor. A vantagem da circulação forçada é a uniformidade que esta proporciona ao produto e, consequentemente, a qualidade.

Figura 8 - Digestor descontínuo com circulação forçada. Fonte: Morkfienski, 2005.

No digestor sem a circulação forçada, a circulação do licor ocorre somente por convecção natural.

Figura 9 - Digestor descontínuo sem circulação forçada. Fonte: Morkfienski, 2005.

Digestores Contínuos

Nos digestores contínuos, os cavacos são introduzidos ininterruptamente através de válvulas especiais, sendo os produtos descarregados simultaneamente e na mesma proporção.

Processo Químico de Sulfito

Os cavacos são cozidos em digestores com um licor ácido, preparado a partir de um composto de enxofre (SO 2 ) e uma base Ca(OH) 2 , NaOH, NH 4 OH, entre outras. A pasta obtida é de fácil branqueamento, apresentando uma coloração clara que permite o seu uso mesmo sem ser branqueada. (SENAI – CETCEP, 2001)

Processo Químico de Sulfato

São utilizados os mesmos produtos químicos do processo Kraft, todavia as condições são mais rígidas, ou seja, emprega-se sulfeto de soda em maior quantidade, além de o cozimento ser feito por mais tempo e com temperatura mais elevadas (BRACELPA, 2013).

Cozimento

O cozimento pode ser divido em cinco etapas: impregnação, aquecimento, cozimento, lavagem e resfriamento. A primeira etapa, de impregnação, é de grande importância para a uniformidade do cozimento, qualidade e redução de rejeito. Tem como objetivo impregnar os cavacos com o licor a uma temperatura que oscila entre 120 e 130°C aproximadamente.

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