CIRCUITOS DE CABEZA DE MÁQUINA

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1 CIRCUITOS DE CABEZA DE MÁQUINA Antonio L. Torres, M. Blana Ronero Dept. de Ingeniería Textil y Papelera (DETiP), Esuela Ténia Superior de Ingenierías Industrial y Aeronáutia de Terrassa (ETSEIAT), Universitat Politènia de Catalunya (UPC), /Colom 11, Terrassa (España) autores: torres@etp.up.edu, ronero@etp.up.edu INTRODUCCIÓN Los iruitos de abeza de máquina omprenden todas las instalaiones y aparatos destinados a obtener a la entrada del formador de la hoja un flujo regular de suspensión on la omposiión básia para obtener el tipo de papel deseado. Este flujo regular debe de estar on audal, onsistenia y proporión de omponentes onstante, así omo limpio de impurezas. Para onseguir estos objetivos deben existir una serie de instalaiones y iruitos tales omo: - Dispositivos para la adiión y mezla de las diferentes pastas y aditivos que entran en la omposiión del papel fabriado. - Dispositivos de diluión. - Dispositivos de regulaión del audal. - Dispositivos de regulaión de la onsistenia. - Dispositivos de depuraión. - Tinas de almaenado y mezla. En la figura 1 (Colom et al., 1984) se representa, de manera muy esquemátia, una posible onformaión de un iruito de abeza de máquina. En el iruito representado puede observarse que los distintos tipos de pasta y aditivos funionales que aseguren la omposiión deben ser dosifiados en la proporión prefijada a una tina de mezla (o a un sistema de mezlado) y de ésta a la tina de máquina. De aquí, en un iruito hidráuliamente ompensado, se enviará el audal másio onstante de la omposiión para asegurar el gramaje a fabriar. Este flujo deberá ser diluido on las aguas oladas hasta alanzar la onsistenia deseada en la aja de entrada del formador y depurado de las posibles impurezas presentes. En este tramo final pueden ser añadidos aquellos aditivos que nos permitan optimizar la obtenión de la hoja en el formador, en partiular los agentes de retenión. De la desripión anterior se desprenden dos funiones diferentes: la obtenión de una omposiión onstante en la primera parte del iruito y en la última parte del mismo la generaión de un audal estable a presión para alimentar el formador. El funionamiento de onjunto de los iruitos de abeza de máquina y en partiular la estabilidad químia del mismo tiene una gran importania y profundo efeto en la efiienia del proeso y en la alidad del produto fabriado.

2 1 Tina de pasta (iruito prinipal) 6 Caja de nivel onstante AD Agua de diluión 2 Tina de pasta (iruito seundario) 7 Bomba de diluión RC Regulador de onsistenia 3 Dosifiaión de aditivos 8 Depuraión dinámia Q Caudalímetro 4 Tina de mezla 9 Depuraión por tamizado VG Válvula de gramaje 5 Tina de máquina FAC Fosa de Aguas Coladas Figura 1. Esquema de un iruito de abeza de máquina. OBTENCIÓN DE UNA COMPOSICIÓN CONSTANTE Los iruitos previos a éste pueden estar sometidos a variaiones temporales de onsistenia. En partiular las variaiones en el iruito de pasta reuperada pueden ser importantes debido al propio funionamiento de la fábria (roturas, et.). La onseuión de un produto de araterístias de alidad onstante requiere una onstania de los audales másios de ada omponente, por lo que lo primero que debe efetuarse es un ajuste de las onsistenias de las tinas de pasta (1 y 2 en la figura 1). Una vez estableida una onstania entre audal másio de fibras y audal total ya puede ajustarse la proporión entre los distintos tipos de pastas que son enviados haia la unidad de mezla. En nuestro aso esto se aseguraría mediante una estaión de razón que ontrolaría los audalímetros. Esta misma estaión podría gobernar los diferentes sistemas de dosifiaión de aditivos. Los sistemas de regulaión automátia de la onsistenia ontienen un medidor-transmisor enargado de medir una propiedad araterístia del flujo asoiada a la onsistenia de una suspensión fibrosa que irula por una analizaión. Las propiedades araterístias asoiadas a la onsistenia que pueden utilizarse en los medidores o elementos primarios son: la visosidad aparente (variaión de la resistenia a la ortadura) -sensores meánios-, la interferenia de la luz (omparaión del flujo luminoso retrodifundido por las partíulas en suspensión on el emitido) - sensores óptios- o la absorión de una radiaión. En el aso de los sensores meánios, la influenia de los aditivos en la visosidad relativa es muho menor que la fibra, por lo que la "onsistenia" medida por estos sensores sólo tiene en uenta la presenia de fibras. Además la propiedad medida no tiene una respuesta lineal a todos los valores de la onsistenia, tal omo evidenia la figura 2 (Casey, 1980), por lo que el rango operativo queda restringido a valores omprendidos entre aproximadamente 1,5 y 5%; En los sensores óptios, los uerpos opaos (fibras y aditivos) pueden reflejar, refratar, difundir, despolarizar o absorber la luz en proporión al número de objetos presentes; los que utilizan miroondas o radiaiones basan su mediión en la transmisión de la radiaión a través de la tubería y, dado que el oefiiente de absorión del agua es diferente del de los otros materiales, la diferenia se utiliza para determinar la onsistenia total.

3 Figura 2. Debido a estas diferenias pueden utilizarse los diferentes tipos de sensores para regular las omposiiones en la fabriaión de algunos tipos de papeles. Un posible aso sería la regulaión de la fibra mediante sistemas meánios ubiados a la salida de las tinas, mientras que la de las argas inorporadas se realizaría mediante un sistema de determinaión de la onsistenia "total" ubiado tras el punto de adiión de las argas. Para la regulaión de las proporiones y audales de los distintos tipos de pasta que entran en la omposiión de un papel se han ideado diferentes sistemas, desde las antiguas disposiiones que utilizaban distribuidores volumétrios o ajas de nivel onstante on orifiios alibrados, a las atuales que utilizan lazos de regulaión del audal (audalímetros de tipo magnétio u óptio) para ada línea, on puntos de onsigna unidos mediante una estaión de razón o dependientes de un ordenador de proeso. Posteriormente debe obtenerse una mezla homogénea, que es uno de los objetivos inherentes a ualquier sistema de regulaión de proporiones; por lo que tras añadir los distintos omponentes debe asegurarse una buena turbulenia durante el tiempo neesario para que aquella se produza. En muhos asos se utiliza omo mezladora una tina operando en ontinuo (en algunos asos en disontinuo) en la que entran las tuberías de los omponentes unitarios. En el aso de mezlado en ontinuo debe prourarse que no se produzan ortoiruitos y que la agitaión sea vigorosa. Otra posibilidad es la de efetuar la mezla en tubería mediante mezladores dinámios o estátios. GENERACIÓN DE UN CAUDAL ESTABLE EN EL FORMADOR La obtenión de una hoja de papel de araterístias onstantes en el tiempo requiere la estabilidad del iruito de alimentaión del formador. Esta parte del iruito omienza on la tina de máquina y prosigue on la bomba de diluión o "fan pump", enargada de realizar la mezla de la suspensión proveniente de la tina de máquina on las aguas oladas, así omo de proporionar la energía para alimentar al formador. Debido a la filtraión y drenaje que se produe en el formador para la obtenión de la hoja de papel y su onsolidaión se obtienen una serie de aguas oladas, también denominadas blanas por su aspeto (presenia de fibras y argas), y que al ser enviadas a distintos puntos de la fábria, dan origen a diferentes iruitos de aguas (iruitos primario y seundario). Un primer bule, iruito primario, es el que sale de la máquina de papel y retorna a la misma para la diluión de la pasta proveniente de la tina de máquina; y es onseuenia de la reutilizaión inmediata de las aguas de desgote, rias en fibras. La suspensión que se envía haia el formador desde la tina de máquina suele estar a una onsistenia del orden de 2,5-3% y debe ser diluida on las aguas oladas para ser enviada haia la depuraión y la aja de entrada.

4 La llegada de la pasta al punto de diluión viene ontrolada por la abertura de la válvula de gramaje, pues al tener en la tina de máquina la onsistenia ajustada a un valor onstante, la relaión entre audal y audal másio será onstante. La neesaria preisión en el audal de pasta (preisión del gramaje en máquina) hae neesaria una gran estabilidad del iruito, por lo que la alimentaión de la válvula de gramaje se hae en las máquinas lentas a través de una aja de nivel onstante (figura 1) o de un audalímetro (figura 3). Figura 3. En todos los asos la disposiión se realiza de modo que se asegure un iruito hidráuliamente ompensado oloando la válvula de gramaje entre niveles onstantes, de esta manera la modifiaión de la abertura de la válvula permite el ontrol preiso del audal másio entregado al formador y por tanto del gramaje obtenido. Una vez onseguida la onsistenia neesaria para la obtenión de la hoja en el formador, diluyendo la suspensión proveniente de la tina de máquina on las aguas oladas, el flujo se enviará a las etapas de depuraión de abeza de máquina, ompuestas por una depuraión dinámia y otra por tamizado. La depuraión de abeza de máquina tiene por objetivo proporionar al formador una omposiión libre de impurezas que puedan afetar a la alidad final del papel y a la produtividad de la máquina (las impurezas pueden ser la ausa de roturas del papel en urso de produión). Desde el punto de vista de la eliminaión de impurezas en las materias primas fibrosas poo limpias (pastas seundarias), éstas deben ser eliminadas efiientemente en los iruitos de preparaión de pastas, restando, en todos los asos, la depuraión de abeza de máquina omo un mero "filtro" previo al formador. La depuraión dinámia (hidroilones) está enargada de eliminar partíulas de mayor densidad que las fibras. La importania de esta operaión es funión del tipo de papel a fabriar, orrespondiendo las mayores exigenias a papeles finos, soportes de estuado, et., algo menos para periódio, tisú, et. y las menores para los papeles de embalaje. En todos los asos, los relativamente bajos audales unitarios exigen la instalaión de múltiples aparatos en paralelo. Por otra parte, el rehazo generado ontiene una gran antidad de fibra buena, por lo que deberá ser tratado en suesivas baterías de hidroilones hasta onseguir un rehazo muy onentrado en impurezas; el número de baterías a instalar vendrá determinado por el balane eonómio entre la pasta reuperada del rehazo y los ostes energétios y de las instalaiones suplementarias. Cuando se utilizan pastas limpias para fabriar papeles de buen aspeto, la depuraión dinámia tiene omo objetivos la eliminaión de posibles impurezas que puedan aompañar a las materias primas o que se generen en los propios iruitos y, en partiular, las partíulas pequeñas o "motas" que puedan afetar al aspeto del papel; en una instalaión determinada, si se quiere haer disminuir el número de motas presentes en el papel deberá aumentarse el audal de rehazo global de la instalaión, lo que normalmente se logra disminuyendo la ontrapresión de la última batería de hidroilones. La mejor limpieza obtenida en los modernos iruitos de preparaión de pastas que tratan papelote omo materia prima hae que en esta depuraión sólo se tengan que eliminar las pequeñas impurezas, lo que permite utilizar aparatos más pequeños on menos problemas de atasamientos. La depuraión por tamizado (depurador a presión) está enargada de eliminar las partíulas voluminosas que restan en la suspensión fibrosa. Además, los esfuerzos ortantes generados al

5 pasar la suspensión por las perforaiones de los depuradores bajo presión provoan una efetiva desfloulaión de la pasta, por lo que es importante la oloaión de este depurador muy próximo a la aja de entrada. El rehazo generado por el depurador por tamizado de abeza de máquina (del orden del 5-10% del audal prinipal) se envía haia un depurador seundario uyo aeptado se enviará a la entrada de la bomba de diluión. En algunas instalaiones para la produión de papeles finos a partir de pastas químias limpias, el rehazo del depurador bajo presión se envía diretamente a la depuraión dinámia, puesto que en prinipio este tipo de materia prima no ontiene impurezas voluminosas que eliminar. Punto de funionamiento de la bomba de diluión Tal omo se ha visto anteriormente, la bomba de diluión es la enargada de enviar haia el formador el audal de la omposiión a la presión neesaria. La altura de elevaión de la bomba de diluión puede ser estableida de manera teória apliando Bernouilli entre el nivel de las aguas oladas en la fosa y la presión neesaria en la aja de entrada (figura 4): H = H 0 + h + h dt + h dp + h r + p 0 / g Figura 4. siendo: H altura de elevaión de la bomba (m. a.) H 0 diferenia de nivel entre las aguas oladas y la tela (m) h pérdida de arga en el iruito h dd pérdida de arga en la depuraión dinámia (8-30 m. a.) h dt pérdida de arga en la depuraión por tamizado (~ 5 m. a.) h r pérdida de arga en el repartidor y aja de entrada (~ 5 m. a.) presión estátia en el fondo de la aja de entrada (Pa) p 0 La presión en el fondo de la aja de entrada vendrá dada por la veloidad de la máquina, puesto que la veloidad del horro de salida de la aja es sensiblemente igual a la misma. Así se tendrá: p 0 /r g ~ Z (v 2 /2g) siendo: Z v oefiiente de la ontraión del horro de pasta a la salida de los labios veloidad de la máquina (m/s) Por otra parte, el audal de la bomba de diluión será igual al audal de la aja de entrada mayorado por todos aquellos sangrados efetuados entre la aja y la bomba (del orden del 15% del audal de entrada en el repartidor de la aja de entrada omo retorno para igualar presiones, del 4-10% del

6 audal de entrada al depurador por tamizado omo rehazo y del 0,1-0,4% del audal de entrada a la depuraión dinámia omo rehazo). El audal másio o produión en el formador es: P v a G y el audal de la aja de entrada: Q P R siendo: P audal másio (kg/s) v veloidad máquina (m/min) a anhura máquina (m) G gramaje seo deseado (g/m 2 ) Q audal de la aja de entrada (m 3 /s) onentraión en la aja de entrada (kg/m 3 ) R retenión en el formador El onepto de retenión puede definirse de varias maneras (Smook, 1990): Retenión global (Overall retention) antidad retenida en la hoja antidad adiionada en la omposiió n Retenión al primer paso (Single - pass retention) antidad retenida en la hoja antidad en la aja de entrada La retenión al primer paso es una medida instantánea de los sólidos totales que son retenidos y se utiliza generalmente para un hequeo rápido del iruito primario y de la estabilidad químia en el entorno del formador (TIP , 2006). Esquematizando los audales y onentraiones en el formador de auerdo on el esquema de la figura 5 la retenión al primer paso será: R x y a 1 audal en la aja de entrada onentraión en la aja de entrada y audal en las aguas oladas a onentraión en las aguas oladas x audal en la hoja onentraión en la hoja Figura 5. En diversos estudios se han itado valores para el audal en las aguas oladas y próximos a 0,97, (Mutjé, 1989); uando se tienen reteniones altas se obtienen, omprobado experimentalmente, valores sólo un 2-3% inferiores a los reales si se toma un valor de y = 1 (Carraso et al., 1997), por lo que en la prátia la retenión al primer paso puede tomarse omo:

7 R a La retenión al primer paso es funión de múltiples parámetros: alidad de la pasta; refinado (al aumentar se inrementa la retenión de las argas); gramaje (p.e. pasar de 30 a 110 g/m 2 puede suponer inrementos de 25 a 45%); fuerzas hidrodinámias (al aumentar la veloidad disminuye la retenión); aspetos relaionados on la químia oloidal; et. A fin de inrementar la retenión al primer paso se utilizarán agentes de retenión. La medida de la retenión presenta difiultad. Cabe hablar de diferentes reteniones: la de la totalidad de los sólidos, la de fibras, la de las argas. Para evaluar la retenión de fibras y argas se suele utilizar el método de los residuos, pero debe onoerse la pérdida al fuego de las argas utilizadas, lo que supone una inertidumbre uando se utilizan mezlas. La retenión varía según el tipo de papel a fabriar, el tipo de máquina, su estrutura, et., pudiendo osilar entre el 40 y el 98%; pueden itarse reteniones de sólidos al primer paso del 30 50% en periódio y del 45 65% en papeles finos. En la Tabla I (Bøhmer, 1981) se ejemplifia la relaión entre la retenión al primer paso y la global; debe notarse la influenia del grado de ierre de los iruitos, de manera que un inremento de éste supone una mayor retenión global, aún para reteniones al primer paso elevadas. También se mejora la retenión global on una mayor efiienia de los sistemas de reuperaión de la fábria. Tabla I Ejemplo de la relaión entre la retenión al primer paso y la global (Bøhmer, 1981) Retenión al primer paso (%) Retenión global (%) 70% reilado aguas blanas 90% reilado aguas blanas ESTABILIDAD QUÍMICA EN LOS CIRCUITOS DE CABEZA DE MÁQUINA El funionamiento de onjunto de los iruitos de abeza de máquina tanto desde los puntos de vista másio, hidráulio y de la estabilidad químia de los mismos tiene una gran importania y profundo efeto en la efiienia del proeso y en la alidad del produto fabriado. Aunque los aspetos químios de la parte húmeda serán motivo de otras aportaiones, se omentarán brevemente algunos aspetos referentes al mismo. Los produtos químios enargados de mejorar el drenaje y la retenión son introduidos en diferentes puntos de estos iruitos on el objetivo de optimizar el funionamiento de la máquina y mejorar la retenión de las partíulas finas durante la formaión del papel. El tipo de sustania químia y la antidad a añadir sólo pueden ser determinados de manera experimental en ada aso partiular en un difíil equilibrio que busque la mayor retenión, el menor efeto de doble ara en la estrutura del papel y una hoja de papel mínimamente floulada (Rojas, 2005). Los aditivos de ontrol utilizados diferirán, básiamente, en funión del tipo de papel a fabriar y del ph del medio, aunque en este último aspeto la tendenia es a utilizar medios neutros o ligeramente alalinos. En todos los asos se busa disminuir la repulsión entre los elementos elulósios y las argas inorgánias de aráter aniónio y potenial ζ negativo on ombinaiones que inluyen polieletrolitos atiónios. Debe tenerse en uenta la omplejidad del sistema, muy ausada uanto mayor es el ierre de iruitos y la utilizaión de fibra seundaria (papelote) que inrementa la presenia de sustanias disueltas y oloidales (oloquialmente "basura aniónia") que inluye sales de áidos grasos y resínios, subprodutos de oxidaión de la hemielulosa, subprodutos derivados de la lignina y del pasteado kraft, dispersantes y látex aniónios del reorte estuado, et. (Hube, 2007). Estos oloides

8 aniónios y materiales polimérios disueltos interfieren on los agentes de retenión atiónios restando efetividad al sistema. La estrategia del punto de adiión de ada agente diferirá en ada aso, aunque existen algunas reglas generales: - Añadir polímetro atiónio para neutralizar la "basura aniónia" en la fuente de mayor aportaión (p.e. en el reorte estuado) y on un bule de ontrol que inorpore una titulaión automátia para mantener el nivel de tratamiento en un punto óptimo aunque haya ambios de arga oloidal en el sistema. - Los polímeros atiónios de alta arga se suelen añadir antes o después de la bomba de diluión (añadiendo un polímero aniónio después). - Los polímeros aniónios de alto peso moleular se suelen añadir después del depurador por tamizado (mayor efiienia de retenión) a vees antes del mismo (para alanzar un mejor equilibrio entre uniformidad de formaión y retenión, posiblemente por la rotura del polímero debido al efeto de la izalladura en las perforaiones del tamiz). - Las miropartíulas (bentonita) y los miropolímeros se añaden después del depurador por tamizado y tras haber añadido un polímero atiónio de elevada masa moleular para que la omposiión tenga arga atiónia neta. BIBLIOGRAFÍA Bøhmer, E. (1981). Filling and loading. En: Casey, J.P. (ed). Pulp and Paper. Chemistry and Chemial Tehnology. 3ª ed. Vol. III. New York: John Wiley & Sons, p ISBN Carraso, F.; Mutjé, P.; Pèlah, M.A. (1997). Apliaión de los balanes de materia en la evaluaión de la retenión en le proeso industrial de fabriaión del papel. Afinidad, 469, ISSN Colom, J.F.; Torres, A.L.; Garía, J.A. (1984). Monografías de materias papeleras: Introduión história a la fabriaión del papel y pastas. Terrassa: Publiaiones de la Universidad Politénia de Cataluña, p. 19. ISBN Hubbe M. A. (2007). Mini-Enylopedia of Papermaking Wet-End Chemistry., URL: ( ). Mutjé, P. (1989). Contribuión al estudio de fibras y argas en la fabriaión del papel. Tesis Dotoral. Tesis dotoral. ETSII de Terrassa (UPC). Rojas, O. J. (2005). Workshop: Aspetos químios de la fabriaión del papel. ETSII de Terrassa. Smook, G.A. (1990). Manual para ténios de pulpa y papel. Atlanta: TAPPI, p ISBN X. TIP (2006). Retention definitions. Tehnial Information Paper TIP Young, J.H. (1980). Fiber preparation and approah flow. En: Casey, J.P. (Pulp and Paper. Chemistry and Chemial Tehnology, vol. II. New York: John Wiley & Sons, p ISBN