Made available in DSpace on 2017-07-10T18:08:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Cristiano Luiz Diel.pdf: 3361169 bytes, checksum: 272490d70ac95c5008fc77d50f4431d0 (MD5) Previous issue date: 2013-02-22 / Klabin Fabricadora de Papel e Celulose S/A / The pulp and paper industries are major consumers of energy. The plant of black liquor evaporation consumes significant portion of this energy. Any effort to improve their energy efficiency is beneficial to the industry. The computer simulation is a powerful tool to aid the understanding of industrial processes and may help identify mechanisms involved in the prediction of responses to changes in operating conditions and optimization of process control. The objective of this work is the development of a mathematical model phenomenological representing the evaporation plant of Klabin Papéis Monte Alegre (KPMA) and the use of it to study and improve operational conditions of the plant. To achieve this goal, firstly it was developed a simplified model based on the work of other authors. The model was built in Maple ® platform. The model was built from mass and energy balances and phase equilibrium equations. Correlations were used to estimate properties, e. g. boiling point raise, enthalpies of the liquor, steam and condensate. The model reproduced well the results of the authors, with the largest percentual error equal to 5.5% and most of the parameters with percentual errors less than 1%. The model was adapted to represent the first effect of evaporation plant of KPMA. Historical operating data were used to compare the model results. Good results were found for temperature and solid content of the liquor. Good results were found for mass flows in some effects, but the model could not effectively predict the mass flow of all effects and the variables related to the flash tanks. The differences are attributed mainly to considerations of steady state and saturated vapor with no entrainment of particles in the liquor and the use of literature correlations to predict the properties of the liquor that do not correspond to the liquor used. / As indústrias de papel e celulose são grandes consumidoras de energia. A planta de evaporação de licor negro consome parte significativa dessa energia. Qualquer esforço no sentido de melhorar sua eficiência energética é benéfico para a indústria. A simulação computacional é uma ferramenta poderosa no auxílio da compreensão de processos industriais, podendo auxiliar na identificação de mecanismos envolvidos no processo, na predição de respostas a mudanças de condições de operação e na otimização do controle de processos. Assim, o objetivo do presente trabalho é o desenvolvimento de um modelo matemático fenomenológico representando a planta de evaporação da Klabin Papéis Monte Alegre (KPMA) e a utilização do mesmo para estudo e melhoria das condições operacionais da planta. Para atingir a este objetivo, primeiramente foi desenvolvido um modelo simplificado baseado no trabalho de outros autores. O modelo foi construído em plataforma Maple®. O modelo foi construído a partir de balanços de massa e energia e equações de equilíbrio de fases. Foram utilizadas correlações para estimar propriedades, e.g. elevação do ponto de ebulição, entalpias do licor, vapor e condensado. O modelo reproduziu bem os resultados dos autores, sendo o maior desvio percentual igual a 5,5% e a grande maioria dos parâmetros com desvio percentuais inferiores a 1%. O modelo foi adaptado para representar o primeiro efeito da planta de evaporação da KPMA. Dados históricos de operação foram utilizados para comparação dos resultados do modelo. Foram encontrados bons resultados para os teores de sólidos e temperaturas do licor, bem como para as vazões para alguns dos evaporadores. O modelo não pôde predizer com eficácia as vazões de todos os evaporadores e das variáveis referentes aos tanques de expansão de licor. As diferenças encontradas são atribuídas principalmente às considerações de regime estacionário e de vapor saturado com ausência de arraste de partículas no licor, bem como da utilização de correlações da literatura para predizer as propriedades do licor que não correspondem ao licor utilizado na evaporação.

O setor industrial produtor de papel e celulose tem aumentado sua relevância comercial nas últimas décadas devido à demanda constantemente crescente. O aumento na competitividade do setor gerado pela economia globalizada e a dificuldade de desenvolvimento de bons planos de produção em ambientes produtivos cada vez mais complexos têm motivado a pesquisa por novas e efetivas ferramentas de auxílio à tomada de decisão. Considerando estas dificuldades, abordamos neste trabalho o problema de dimensionamento e sequenciamento de lotes com foco em empresas com processo integrado de produção de celulose e de papel. Trata-se de um problema de planejamento de médio a curto prazo, geralmente com maior enfoque no curto prazo por considerar o planejamento detalhado da produção em horizontes de planejamento que não superam 30 dias. No processo integrado de celulose e papel, foram consideradas as decisões de produção do digestor, evaporador, caldeira de recuperação e de múltiplas máquinas produtoras de papel, além do controle de estoque de produtos intermediários e finais. Modelos matemáticos da literatura foram modificados e estendidos para incorporar características adicionais do problema como, por exemplo, processos com múltiplas máquinas de papel. Além disso, foram desenvolvidas heurísticas construtivas, heurísticas de melhoria, abordagens de solução híbridas baseadas em algoritmos genéticos combinadas com ferramentas comerciais de solução exata, além de combinações entre os métodos. As abordagens desenvolvidas foram testadas computacionalmente e as melhores combinações de métodos foram definidas. De forma geral, os resultados dessas abordagens foram superiores aos obtidos por ferramentas de solução comerciais puras. Ademais, a variação proposta da heurística de melhoria fixe-e-otimize com mudanças na função objetivo se destacou com relação aos demais métodos, obtendo os melhores resultados, independentemente da qualidade da solução inicial utilizada. As principais contribuições desta tese são a apresentação de modelos matemáticos para representar apropriadamente o problema estudado, e o desenvolvimento de métodos de solução efetivos para resolver o problema. / The pulp and paper industry has been increasing the commercial importance in recent decades due to the constant growing demand. The increasing competitiveness of this sector generated by the globalized economy and the difficulty to develop good production plans in complex production environments have motivated the search for new and effective decision support systems. Given these difficulties, in this thesis we address the lot sizing and scheduling problem focused on integrated pulp and paper mills. This is a problem of medium to short term planning, generally more focused on the short term as it covers detailed production schedules in planning horizons which do not exceed 30 days. In these integrated pulp and paper process the production decisions of digester, evaporator, recovery boiler and multiple paper machines are considered, apart from the inventory control of intermediate and final products. Mathematical models known in the literature were modified and extended to incorporate additional features of the problem, such as processes with multiple paper machines. In addition, constructive and improvement heuristics, and hybrid methods based on genetic algorithms combined with a commercial solver were developed, as well as combinations of these solution approaches. The methods developed were computationally tested and the best combinations of methods were defined. Overall, the results of these methods were superior to the solutions obtained by pure commercial solvers. Moreover, the alternative variation proposed of the improvement heuristic fix-and-optimize with exchanges in the objective function surpassed the other methods, obtaining the best results, regardless of the quality of the initial solution used. The main contribution of this thesis are the presentation of mathematical models that appropriately represents the problem under study, and the development of effective solution methods to deal with the problem.

Submitted by RODRIGO DE HOLANDA SCHMIDT (rodrigohs1979@gmail.com) on 2018-01-17T18:29:25Z No. of bitstreams: 1 PROJETO Posdefesa Versão FINAL.pdf: 1906537 bytes, checksum: 3b5e67507ea1b0d7bda550480252ae26 (MD5) / Approved for entry into archive by Janete de Oliveira Feitosa (janete.feitosa@fgv.br) on 2018-01-18T18:30:52Z (GMT) No. of bitstreams: 1 PROJETO Posdefesa Versão FINAL.pdf: 1906537 bytes, checksum: 3b5e67507ea1b0d7bda550480252ae26 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-01-30T12:08:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 PROJETO Posdefesa Versão FINAL.pdf: 1906537 bytes, checksum: 3b5e67507ea1b0d7bda550480252ae26 (MD5) Previous issue date: 2017-11-30 / Purpose – The aim of this study was to comprehend the main determinant factors for vertical integration in the pulp and paper sector in Brazil, from a perspective of pulp manufacturers. Design/methodology – The research adopted a qualitative approach, through a multiple case study with three of the main companies in the pulp and paper sector in Brazil. The data collection was done through semi-structured interviews of executives of the selected companies. Findings – The main competitive advantage arises from the vertical integration backward, of the pulp mill towards the forestry. The main factors for this are the exercise of the market power of oligopoly by the pulp companies, assurance of supply of their main input, the wood, asset specificity of site, shortening the distance between the forest and the pulp mill, and mitigation of uncertainty. There is tapered integration of pulp mill and forestry, mainly due the use of advantages of site specificity of forest producers near the mill, the need to mitigate social risks and to develop a mature market for the commercialization of wood in the country. Research limitations – The main limitation of this work is the fact that the pulp sector is a concentrated oligopoly, with few companies, which restricts the diversity and number of respondents. Practical implications – The results can be applied to organizations in the pulp and paper sector, as well as to other capital-intensive industries with high dependence on a particular raw material. Originality– To our knowledge, this is the first study about vertical integration in the pulp and paper sector in Brazil. / Objetivo – Este estudo pretende compreender os principais determinantes para a integração vertical no setor de papel e celulose no Brasil, a partir de uma perspectiva das fabricantes de celulose. Metodologia – A pesquisa seguiu uma abordagem qualitativa, por meio de estudo de casos múltiplos com três das principais empresas do setor de papel e celulose do Brasil. A coleta de dados foi feita por meio de entrevistas semiestruturadas de executivos das empresas selecionadas. Resultados – A principal vantagem competitiva verificada se deu na integração vertical realizada à montante pela fábrica de celulose, em direção à produção florestal. Os principais fatores para isso foram o exercício do poder de mercado de oligopólio pelas empresas de celulose, a garantia de fornecimento do seu insumo principal, a madeira, a especificidade de local dos ativos, dada pela proximidade necessária entre a floresta e a unidade de celulose, e a mitigação da incerteza. A integração vertical entre fábrica de celulose e produção florestal é realizada de forma parcial, principalmente devido ao aproveitamento de vantagens de localização de produtores florestais próximos à fabrica, à necessidade de mitigar riscos sociais e de desenvolver um mercado maduro de comercialização de madeira no país. Limitações – A principal limitação deste trabalho é o fato do setor de celulose ser um oligopólio concentrado, com poucas empresas, o que restringe a diversidade e o número de entrevistados. Aplicabilidade do trabalho – Os resultados obtidos podem ser aplicados às organizações do setor de papel e celulose, bem como a outras indústrias de capital intensivo e com alta dependência de uma matéria-prima em especial. Originalidade – Pelo que conhecemos, é o primeiro trabalho sobre integração vertical no setor de papel e celulose no Brasil.