Tese de mestrado integrado. Engenharia Química. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

O licor negro, cuja composição majoritária é de lignina, é o principal subproduto gerado após a obtenção de polpa celulósica. Este polímero natural é caracterizado pela elevada massa molecular (MM) e composição aromática. Processos físico-químicos são empregados na fragmentação da lignina com o objetivo de obter compostos aromáticos, cuja fonte não renovável é oriunda de derivados do petróleo. A biodegradação da lignina, causada pela ação de enzimas ligninolíticas fúngicas pode prover compostos aromáticos de baixo peso molecular, como fenóis e antioxidantes, utilizados em diversos segmentos industriais. O objetivo deste trabalho foi estudar a modificação estrutural da lignina causada por fungos basidiomicetos coletados de mata nativa e campos de reflorestamento de eucalipto. Os ensaios de biodegradação foram inicialmente conduzidos utilizando-se 10 espécies de fungos, cultivados em duas concentrações de licor negro (10% e 15%, v/v). No ensaio com licor menos concentrado, utilizaram-se 10 espécies, e no ensaio com licor 15% utilizou-se somente a espécie Pycnoporus sanguineus. As análises realizadas para o estudo da modificação estrutural da lignina foram: espectroscopia na região do infravermelho (FTIR/ATR), cromatografia líquida de gel filtração e espalhamento de raios-X a baixo ângulo (SAXS). P. sanguineus e espécies de fungos do gênero Trametes possuem elevada capacidade de consumir a lignina presente no licor 10%, após 14 dias. A atividade de enzimas ligninolíticas de P. sanguineus foi investigada nas duas concentrações de licor. No licor 10%, observou-se elevada atividade das enzimas ligninolíticas manganês peroxidase (MnP), lacase e peroxidases; somente a MnP foi detectada com maior atividade no licor 15%. Análises de Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO) indicaram que o licor negro 10% biodegradado por P. sanguineus possui elevada carga de DBO, sendo tóxico a Daphia magna e Hydra attenuatta. Análises de metabólitos produzidos pelos fungos no licor negro 10% por cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massas (GC-MS) indicaram, principalmente, a produção de açúcares e álcoois em concentrações não muito diferentes dos seus respectivos controles. Embora os fungos sejam capazes de reduzir a massa molecular da lignina presente no licor negro, compostos derivados da sua fragmentação podem sofrer reações de condensação ou repolimerização, contribuindo, eventualmente, para elevar sua massa molecular / Black liquor which the bulk content is lignin, is the main product generated after obtaining cellulose pulp. This natural polymer is characterized by high molecular weight (MW) and aromatic compounds. Physical-chemical processes can be employed to fragment lignin and to produce aromatic compounds to replace those from non-renewable sources such as petroleum. Biodegradation of lignin can provide low molecular weight compounds, such as phenols and antioxidants, which may be employed in various industrial processes. The aim of this work was to investigate the structural modification of lignin caused by basidiomycetes fungi, obtained from native forest and Eucalyptus fields. The biodegradation assay was done with10 fungi species cultivated with two concentrations of black licor (10% and 15%, v/v). The assay with 10% liquor, 10 species of basidiomycete fungi were used, and in the assay with 15% liquor, it was used only Pycnoporus sanguineus. The analyses carried out to determine the structural modification of lignin were: infrared spectroscopy (FTIR/ATR), liquid chromatography gel filtration and small angle X-ray scattering (SAXS). P. sanguineus and fungi of Trametes genera had high capacity to consume the lignin content in the 10% liquor, after 14 days of cultivation. After that, P. sanguineus was selected for assays of ligninolytic enzymes activities in the two liquor concentrations. High activities of manganese peroxidase (MnP), laccase and peroxidase were detected in the 10% liquor, whereas in the concentration of 15% only high MnP activity was detected. Biochemical Oxygen Demand, analysis (BOD) indicated that the biodegraded liquor had high BOD load, and it was toxic to Daphia magna and Hydra attenuata. Metabolites produced by the fungi in the liquor 10% were analysed by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS), which indicated mainly the production of sugars and alcohols in concentrations not far from their respective controls. Although the fungus is able to decrease molecular weight of lignin, its fragments derivatives can undergo condensation or repolymerization reactions, contributing, eventually, to increase its molecular weight

O aumento da conscientização ecológica, observado nos últimos anos, levou às indústrias investirem em alguns sistemas de produção tecnologicamente menos impactantes ao meio ambiente, como é o caso das biorrefinarias. No setor de celulose e papel as indústrias podem ser consideradas como biorrefinarias pois produzem bioenergia e bioprodutos a partir da utilização da biomassa, tais como energia elétrica e polpa celulósica. No processo de polpação kraft, obtém-se o licor negro o qual contém compostos orgânicos e inorgânicos provenientes da matéria prima e dos reagentes químicos e aditivos utilizados no processo. Com isso, o licor negro contém além da lignina dissolvida da madeira, alguns subprodutos formados em reações específicas e que podem ser recuperados, destacando-se entre esses o metanol, o qual pode chegar a compor 1% do licor negro. O metanol celulósico extraído na etapa de tratamento de condensado contaminado contém diversos compostos noviços ao meio ambiente e por este motivo o metanol celulósico é utilizado como combustível, sendo incinerado para geração de energia e para redução dos contaminantes a formas menos nocivas ao meio ambiente. Assim, obter o metanol celulósico significa purificá-lo para que possa ser aplicado para outros fins mais nobre, como por exemplo, aplicado como reagente nas indústrias químicas. Com isso, o presente estudo teve por objetivo avaliar o potencial de operação de uma unidade de recuperação e de purificação de metanol celulósico acoplado a uma moderna unidade de produção de polpa celulósica. Para isso, foram realizadas visitas técnicas à unidade industrial e efetuada uma ampla revisão bibliográfica do processo de evaporação de licor negro e de formação dos compostos presentes no metanol celulósico de forma a definir as condições e métodos de modelagem e simulação mais apropriados para o desenvolvimento desta dissertação. O estudo foi divido em duas etapas, sendo que a primeira consistiu na utilização do simulador comercial WinGEMS® para construção de um modelo computacional de uma unidade de evaporação de licor negro, o qual mostrou-se adequado para a determinada aplicação através de validações comparativas entre os resultados da simulação com valores reais de operação. Na sequência, desenvolveu-se um modelo computacional para o planejamento de uma unidade de obtenção e purificação de metanol celulósico via software Aspen Plus® sendo acoplado ao modelo anterior. Em síntese, a metodologia aplicada mostrou-se satisfatória para o presente estudo sendo possível simular com propriedade uma unidade de evaporação de licor negro e avaliar o impacto industrial de se acoplar uma unidade de purificação de metanol celulósico a indústria celulósica, no que tange a dimensionamentos de equipamentos, quantificação dos insumos e eficiência de purificação de metanol celulósico. / The increase in ecological awareness observed in recent years has led industries to invest in some production systems technologically less harmful to the environment, such as biorefineries. The industries form the pulp and paper sector, can be considered as biorefineries because they produce bioenergy and bioproducts from the use of biomassa, such as electric power and cellulosic pulp. In the kraft pulping process, the black liquor is obtained, wich contains organic and inorganic compounds from the raw material and from the chemicals reagents and additives used in the process. Black liquor contains, in addition to the dissolved lignin of the wood, some by-products formed in specific reactions and that can be recovered, among them methanol, which can make up 1% of the black liquor. The cellulosic methanol extracted in the treatment stage of contaminated condensate contains several compounds that are harmful to the environment and for this reason the cellulosic methanol is used as fuel, being incinerated for energy generation and for the reduction of contaminants to forms less harmful to the environment. Thus, obtaining the cellulosic methanol means purifying it so that it can be applied to other, more noble purposes, for example, as a reagent in the chemical industry. The aim of this study was to evaluate the potential of a cellulosic methanol recovery and purification unit coupled to a modern cellulosic pulp production unit. Technical visits were made to the industrial unit and a vast bibliographical review of the process of evaporation of black liquor and formation of the compounds present in the cellulosic methanol was carried out in order to define the conditions and the most appropriate modeling and simulation methods for the development of this dissertation. The study was divided in two stages, the first one consisted of the use of the WinGEMS® commercial simulator to construct a computational model of a black liquor evaporation unit, which proved to be suitable for the given application through comparative validations between simulation results with actual operating values. In the sequence, a computational model was developed for the planning of a cellulosic methanol purification and purification unit using Aspen Plus® software being coupled to the previous model. In summary, the applied methodology proved to be satisfactory for the present study, being it possible to properly simulate a black liquor evaporation unit and to evaluate the industrial impact of coupling a cellulosic methanol purification unit to the cellulosic industry, in terms of equipment design, input quantification and cellulosic methanol purification.

O aumento da conscientização ecológica, observado nos últimos anos, levou às indústrias investirem em alguns sistemas de produção tecnologicamente menos impactantes ao meio ambiente, como é o caso das biorrefinarias. No setor de celulose e papel as indústrias podem ser consideradas como biorrefinarias pois produzem bioenergia e bioprodutos a partir da utilização da biomassa, tais como energia elétrica e polpa celulósica. No processo de polpação kraft, obtém-se o licor negro o qual contém compostos orgânicos e inorgânicos provenientes da matéria prima e dos reagentes químicos e aditivos utilizados no processo. Com isso, o licor negro contém além da lignina dissolvida da madeira, alguns subprodutos formados em reações específicas e que podem ser recuperados, destacando-se entre esses o metanol, o qual pode chegar a compor 1% do licor negro. O metanol celulósico extraído na etapa de tratamento de condensado contaminado contém diversos compostos noviços ao meio ambiente e por este motivo o metanol celulósico é utilizado como combustível, sendo incinerado para geração de energia e para redução dos contaminantes a formas menos nocivas ao meio ambiente. Assim, obter o metanol celulósico significa purificá-lo para que possa ser aplicado para outros fins mais nobre, como por exemplo, aplicado como reagente nas indústrias químicas. Com isso, o presente estudo teve por objetivo avaliar o potencial de operação de uma unidade de recuperação e de purificação de metanol celulósico acoplado a uma moderna unidade de produção de polpa celulósica. Para isso, foram realizadas visitas técnicas à unidade industrial e efetuada uma ampla revisão bibliográfica do processo de evaporação de licor negro e de formação dos compostos presentes no metanol celulósico de forma a definir as condições e métodos de modelagem e simulação mais apropriados para o desenvolvimento desta dissertação. O estudo foi divido em duas etapas, sendo que a primeira consistiu na utilização do simulador comercial WinGEMS® para construção de um modelo computacional de uma unidade de evaporação de licor negro, o qual mostrou-se adequado para a determinada aplicação através de validações comparativas entre os resultados da simulação com valores reais de operação. Na sequência, desenvolveu-se um modelo computacional para o planejamento de uma unidade de obtenção e purificação de metanol celulósico via software Aspen Plus® sendo acoplado ao modelo anterior. Em síntese, a metodologia aplicada mostrou-se satisfatória para o presente estudo sendo possível simular com propriedade uma unidade de evaporação de licor negro e avaliar o impacto industrial de se acoplar uma unidade de purificação de metanol celulósico a indústria celulósica, no que tange a dimensionamentos de equipamentos, quantificação dos insumos e eficiência de purificação de metanol celulósico. / The increase in ecological awareness observed in recent years has led industries to invest in some production systems technologically less harmful to the environment, such as biorefineries. The industries form the pulp and paper sector, can be considered as biorefineries because they produce bioenergy and bioproducts from the use of biomassa, such as electric power and cellulosic pulp. In the kraft pulping process, the black liquor is obtained, wich contains organic and inorganic compounds from the raw material and from the chemicals reagents and additives used in the process. Black liquor contains, in addition to the dissolved lignin of the wood, some by-products formed in specific reactions and that can be recovered, among them methanol, which can make up 1% of the black liquor. The cellulosic methanol extracted in the treatment stage of contaminated condensate contains several compounds that are harmful to the environment and for this reason the cellulosic methanol is used as fuel, being incinerated for energy generation and for the reduction of contaminants to forms less harmful to the environment. Thus, obtaining the cellulosic methanol means purifying it so that it can be applied to other, more noble purposes, for example, as a reagent in the chemical industry. The aim of this study was to evaluate the potential of a cellulosic methanol recovery and purification unit coupled to a modern cellulosic pulp production unit. Technical visits were made to the industrial unit and a vast bibliographical review of the process of evaporation of black liquor and formation of the compounds present in the cellulosic methanol was carried out in order to define the conditions and the most appropriate modeling and simulation methods for the development of this dissertation. The study was divided in two stages, the first one consisted of the use of the WinGEMS® commercial simulator to construct a computational model of a black liquor evaporation unit, which proved to be suitable for the given application through comparative validations between simulation results with actual operating values. In the sequence, a computational model was developed for the planning of a cellulosic methanol purification and purification unit using Aspen Plus® software being coupled to the previous model. In summary, the applied methodology proved to be satisfactory for the present study, being it possible to properly simulate a black liquor evaporation unit and to evaluate the industrial impact of coupling a cellulosic methanol purification unit to the cellulosic industry, in terms of equipment design, input quantification and cellulosic methanol purification.

O licor negro, cuja composição majoritária é de lignina, é o principal subproduto gerado após a obtenção de polpa celulósica. Este polímero natural é caracterizado pela elevada massa molecular (MM) e composição aromática. Processos físico-químicos são empregados na fragmentação da lignina com o objetivo de obter compostos aromáticos, cuja fonte não renovável é oriunda de derivados do petróleo. A biodegradação da lignina, causada pela ação de enzimas ligninolíticas fúngicas pode prover compostos aromáticos de baixo peso molecular, como fenóis e antioxidantes, utilizados em diversos segmentos industriais. O objetivo deste trabalho foi estudar a modificação estrutural da lignina causada por fungos basidiomicetos coletados de mata nativa e campos de reflorestamento de eucalipto. Os ensaios de biodegradação foram inicialmente conduzidos utilizando-se 10 espécies de fungos, cultivados em duas concentrações de licor negro (10% e 15%, v/v). No ensaio com licor menos concentrado, utilizaram-se 10 espécies, e no ensaio com licor 15% utilizou-se somente a espécie Pycnoporus sanguineus. As análises realizadas para o estudo da modificação estrutural da lignina foram: espectroscopia na região do infravermelho (FTIR/ATR), cromatografia líquida de gel filtração e espalhamento de raios-X a baixo ângulo (SAXS). P. sanguineus e espécies de fungos do gênero Trametes possuem elevada capacidade de consumir a lignina presente no licor 10%, após 14 dias. A atividade de enzimas ligninolíticas de P. sanguineus foi investigada nas duas concentrações de licor. No licor 10%, observou-se elevada atividade das enzimas ligninolíticas manganês peroxidase (MnP), lacase e peroxidases; somente a MnP foi detectada com maior atividade no licor 15%. Análises de Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO) indicaram que o licor negro 10% biodegradado por P. sanguineus possui elevada carga de DBO, sendo tóxico a Daphia magna e Hydra attenuatta. Análises de metabólitos produzidos pelos fungos no licor negro 10% por cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massas (GC-MS) indicaram, principalmente, a produção de açúcares e álcoois em concentrações não muito diferentes dos seus respectivos controles. Embora os fungos sejam capazes de reduzir a massa molecular da lignina presente no licor negro, compostos derivados da sua fragmentação podem sofrer reações de condensação ou repolimerização, contribuindo, eventualmente, para elevar sua massa molecular / Black liquor which the bulk content is lignin, is the main product generated after obtaining cellulose pulp. This natural polymer is characterized by high molecular weight (MW) and aromatic compounds. Physical-chemical processes can be employed to fragment lignin and to produce aromatic compounds to replace those from non-renewable sources such as petroleum. Biodegradation of lignin can provide low molecular weight compounds, such as phenols and antioxidants, which may be employed in various industrial processes. The aim of this work was to investigate the structural modification of lignin caused by basidiomycetes fungi, obtained from native forest and Eucalyptus fields. The biodegradation assay was done with10 fungi species cultivated with two concentrations of black licor (10% and 15%, v/v). The assay with 10% liquor, 10 species of basidiomycete fungi were used, and in the assay with 15% liquor, it was used only Pycnoporus sanguineus. The analyses carried out to determine the structural modification of lignin were: infrared spectroscopy (FTIR/ATR), liquid chromatography gel filtration and small angle X-ray scattering (SAXS). P. sanguineus and fungi of Trametes genera had high capacity to consume the lignin content in the 10% liquor, after 14 days of cultivation. After that, P. sanguineus was selected for assays of ligninolytic enzymes activities in the two liquor concentrations. High activities of manganese peroxidase (MnP), laccase and peroxidase were detected in the 10% liquor, whereas in the concentration of 15% only high MnP activity was detected. Biochemical Oxygen Demand, analysis (BOD) indicated that the biodegraded liquor had high BOD load, and it was toxic to Daphia magna and Hydra attenuata. Metabolites produced by the fungi in the liquor 10% were analysed by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS), which indicated mainly the production of sugars and alcohols in concentrations not far from their respective controls. Although the fungus is able to decrease molecular weight of lignin, its fragments derivatives can undergo condensation or repolymerization reactions, contributing, eventually, to increase its molecular weight

Orientador: José Vicente Hallak d'Angelo / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-21T11:05:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Marins_Gabrielde_M.pdf: 4193921 bytes, checksum: e80672b42613eddad46d14b2c94e31c8 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: No processo Kraft para produção de papel e celulose, os cavacos de madeira são cozidos em um digestor com uma solução aquosa denominada licor branco, constituída de hidróxido de sódio (NaOH) e sulfeto de sódio (Na2S). Durante o cozimento uma pasta fibrosa é produzida. Esta pasta é filtrada e segue para o branqueamento. O produto filtrado chama-se licor negro, devido à mudança da sua cor nesta etapa. O licor negro possui aproximadamente 15 % de sólidos em massa. Ele é bombeado para a unidade de recuperação, na qual ele será concentrado em evaporadores de múltiplosefeitos até 75 % de sólidos em massa. Em seguida, ele é bombeado para uma caldeira onde é queimado, para recuperar os sais inorgânicos e, principalmente, fornecer calor para geração de calor. Durante a evaporação do licor negro, quando a porcentagem em sólidos ultrapassa 50 %, ocorre a precipitação de sais inorgânicos. Estes sais se depositam nas superfícies de troca térmica dos evaporadores diminuindo sua eficiência e causando prejuízos à indústria. Os principais sais que causam este problema são o carbonato de sódio (Na2CO3) e o sulfato de sódio (Na2SO4). O objetivo do presente trabalho foi testar e validar um método experimental para a determinação da quantidade de Na2CO3 presente em amostras industriais de licor negro. Além disso, também foram analisadas algumas propriedades físico-químicas do licor negro, como massa específica, teor de sólidos e viscosidade. Com os resultados obtidos, tentou-se obter uma correlação entre o teor de carbonato de sódio e as demais propriedades do licor que foram determinadas. Os resultados das análises das características físico-químicas demonstraram coerência e boa reprodutibilidade, porém, os resultados das análises de teor de carbonato de sódio não foram satisfatórios e mostraram que a técnica deve ser aperfeiçoada / Abstract: In the Kraft process for pulp and paper production, wood chips are cooked in a digester with an aqueous solution named white liquor, consisted by sodium hydroxide (NaOH) and sodium sulfide (Na2S). During this cooking process, wood chips are transformed generating a fibrous paste and a liquid solution. This paste is filtered and separated from the liquid solution, named black liquor due to its color. The paste goes to the bleaching stage to produce cellulose. Black liquor contains inorganic and organic (mainly lignin) compounds from wood. Initially this black liquor contains approximately 15 mass/% of solids and is sent to the recovery unit to have this concentration raised to approximately 75 mass/% to be burned in a recovery boiler in order to generate power and recover inorganic reactants, recycling them to the process. The concentration process of black liquor occurs in a multiple effect evaporators unit. During this process, when the concentration of solids exceeds 50%, the precipitation of inorganic salts (mainly Na2CO3 and Na2SO4) begins. These salts are deposited in the heat transfer surfaces of the evaporator tubes, reducing their efficiency, leading to a reduction in the production capacity. The scope of this work was testing and validate an experimental method to estimate the content of Na2CO3 present in industrial black liquor samples. Moreover, some black liquor's physical-chemical properties as density, solids content and viscosity were also analyzed. An attempt to develop a predictive model to evaluate sodium carbonate content from the other properties was made. The results obtained for physical-chemical properties have shown a good consistency. However, the results of sodium carbonate analyses were not satisfactory, showing that the technique must be improved / Mestrado / Sistemas de Processos Quimicos e Informatica / Mestre em Engenharia Química

Orientador: José Vicente Hallak d'Angelo / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-21T16:01:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Leite_BrennoSantos_D.pdf: 2261733 bytes, checksum: 645cd7fdea0a4b3aadd5357222e37a40 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: O licor negro é um subproduto do processo de digestão da madeira em fábricas de celulose e papel, composto por frações orgânicas e inorgânicas. Após o processo de digestão, o licor negro apresenta um teor de sólidos secos de aproximadamente 15% e para que possa ser queimado na caldeira de recuperação química é necessário elevar esse teor para valores próximos de 75%. Este processo de concentração do licor é feito em um sistema de evaporação múltiplo efeito. Propriedades físico-químicas do licor, tais como massa específica, teor de sólidos secos, viscosidade e teor de sais de sódio sofrem forte dependência do tipo de madeira processada e das condições de operação durante o processo de digestão. O conhecimento destas propriedades e da relação entre elas auxilia no controle do processamento do licor e pode permitir um maior aproveitamento energético de toda a unidade de recuperação. Quando o licor negro atinge altas concentrações de sólidos (superiores a 50%), observa-se precipitação de sais responsáveis pela formação de incrustações na superfície de transferência de calor dos evaporadores e concentradores, reduzindo a eficiência do sistema de evaporação. O presente trabalho tem como objetivo geral, investigar e compreender o mecanismo de formação e precipitação de sais de sódio, durante o processo de concentração do licor negro, os quais podem formar incrustações que prejudicam o bom desempenho do processo, por meio de um estudo e correlação de suas propriedades físico-químicas, avaliando sua influência na solubilidade dos sais inorgânicos presente no licor. Ressalta-se que os primeiros sais a precipitarem são os sais de sódio, mais especificamente o carbonato e o sulfato de sódio. Sendo assim, compreender o mecanismo que promove a redução de sua solubilidade é muito importante para entender o comportamento dos demais sais presentes no licor negro. Foi possível desenvolver um modelo capaz de avaliar a solubilidade do sulfato de sulfato de sódio considerando as características especificas do licor negro. Também, com base neste modelo de solubilidade foi possível compreender a lógica do efeito da inversão de solubilidade de um determinado sal sobre o comportamento do sistema, possibilitando compreender o mecanismo de formação das primeiras precipitações no licor negro de eucalipto / Abstract: In pulp and paper mills the aqueous solution extracted from the pulping process in the wood digester is named black liquor, which consists of organic and inorganic compounds. When leaving the digester sector black liquor has about 15 %/mass of solids and to be used as a fuel in the recovery boiler it is necessary to raise this solids content to 75 %/mass, removing water in a battery of multiple effect evaporators. Some black liquor physical properties, such as density, solids content, viscosity and sodium salts content, are strongly dependent on the kind of wood processed (hardwood or softwood) and on operating conditions during the digestion process. Knowledge and comprehension of the relationship between these physical properties of black liquor are essential for studies aiming at a better energetic performance of the black liquor evaporation unit. When black liquor reaches higher solids content (above 50 %/mass), scaling formation is observed on the heat transfer surfaces of evaporators and concentrators, due to precipitation of sodium salts, reducing the overall efficiency of this equipment. The aim of this work is to investigate and comprehend the mechanism of formation and precipitation of sodium salts in eucalyptus black liquor evaporators, through the study of the relationship between some physical proprieties (density, viscosity, total solids content) evaluating their influence over the solubility of sodium salts content in industrial black liquor samples. This greater comprehension and knowledge of the mechanism which is responsible for the reduction of the solubility of these salts is very important for the development of alternative methods to avoid or reduce scaling formation. The results have shown that it is possible to use a model to estimate sodium sulfate solubility limit and comprehend the formation mechanism of the first scaling and the behavior of the salts in the system / Doutorado / Sistemas de Processos Quimicos e Informatica / Doutor em Engenharia Química

O avanço da capacidade do processamento dos computadores e do desenvolvimento de métodos numéricos tem proporcionado ferramentas de modelagem, projeto e otimização cada vez mais eficientes para a constante melhoria de caldeiras de recuperação química Kraft. Dentre as técnicas utilizadas, os modelos CFD abrangentes tem sido empregados nos últimos anos para representar a operação da caldeira de recuperação considerando o maior número possível processos vinculados ao escoamento dos gases de combustão. O presente trabalho busca desenvolver um modelo CFD abrangente considerando o escoamento turbulento dos gases de combustão, o arraste das gotas de licor, a combustão homogênea dos voláteis em fase gasosa, as etapas de combustão heterogênea do licor preto e uma representação simplificada do leito carbonizado. Os resultados se mostraram coerentes com o comportamento apresentado na literatura. A simulação do modelo permite análise dos projetos e das operações da caldeira. / The advance of computer processing power and the development of numerical methods promote more efficient tools for modeling, design and optimization aiming to increase improvements in Kraft recovery boilers. Among the available techniques, the comprehensive CFD models have been applied in the last years to represent the recovery boiler operation considering as much as possible processes linked with flue gas flow. The objective of present work is the development of a comprehensive CFD model considering turbulent flue gas flow, black liquor droplets drag, volatiles homogeneous combustion in gas phase, the steps of heterogeneous black liquor combustion and the simplified interaction between flue gas flow and char bed. The results have good agreement with boiler behavior presented in the literature. The simulation of the comprehensive model allows the analysis of design and operations of the boiler.

O avanço da capacidade do processamento dos computadores e do desenvolvimento de métodos numéricos tem proporcionado ferramentas de modelagem, projeto e otimização cada vez mais eficientes para a constante melhoria de caldeiras de recuperação química Kraft. Dentre as técnicas utilizadas, os modelos CFD abrangentes tem sido empregados nos últimos anos para representar a operação da caldeira de recuperação considerando o maior número possível processos vinculados ao escoamento dos gases de combustão. O presente trabalho busca desenvolver um modelo CFD abrangente considerando o escoamento turbulento dos gases de combustão, o arraste das gotas de licor, a combustão homogênea dos voláteis em fase gasosa, as etapas de combustão heterogênea do licor preto e uma representação simplificada do leito carbonizado. Os resultados se mostraram coerentes com o comportamento apresentado na literatura. A simulação do modelo permite análise dos projetos e das operações da caldeira. / The advance of computer processing power and the development of numerical methods promote more efficient tools for modeling, design and optimization aiming to increase improvements in Kraft recovery boilers. Among the available techniques, the comprehensive CFD models have been applied in the last years to represent the recovery boiler operation considering as much as possible processes linked with flue gas flow. The objective of present work is the development of a comprehensive CFD model considering turbulent flue gas flow, black liquor droplets drag, volatiles homogeneous combustion in gas phase, the steps of heterogeneous black liquor combustion and the simplified interaction between flue gas flow and char bed. The results have good agreement with boiler behavior presented in the literature. The simulation of the comprehensive model allows the analysis of design and operations of the boiler.

Made available in DSpace on 2017-07-21T20:42:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ADRIANO BORGES MARTINS DA SILVA.pdf: 3121513 bytes, checksum: 07dee82c52a009778c436836023d7495 (MD5) Previous issue date: 2013-08-30 / The Kraft pulping process responsible for producing more than 130 million tons / year of all pulp produced in the world, is widely spread due to recycling of the chemicals used in pulping, NaOH and Na2S and co-generation of energy and steam for the chemical recovery process, where the residual weak black liquor from the wood cooking, is transformed into heavy black liquor by water evaporation and concentration of the liquor. Evaluating the chemical composition and the difference in solids caused by the water evaporation liquor has been proposed to study the corrosion process caused by the presence of black liquor in different types of metals used in evaporation plant, evaluating the physico-chemical properties of the black liquor in two distinct points of the evaporation plant, the impact caused by the effect of the presence of black liquor in 1020 alloy steel, stainless steel 304L and SAF 2205 duplex and compare the corrosion rate and polarization resistance experienced by the 1020 steel, stainless steel 304L and SAF 2205 duplex at two different concentrations. For verification of corrosion rate, electrochemical concepts were used according to the method ASTM G59-97, where electrodes were fabricated with three types of steels to be studied, the latter being immersed in the solution of black liquor, and evaluated their respective corrosion rates. In all conditions studied the 1020 alloy steel showed the worst corrosion rate and polarization resistance among the studied metals. For the 304L stainless steel and SAF 2205 duplex stainless steel both have acceptable corrosion rates for use with small additions between certain situations between 304L and SAF 2205 duplex steels, but as corrosion rates remained near the various situations studied so it is necessary to evaluate the financial viability of the application of one of the two leagues in the process. / O processo de polpação KRAFT responsável pela produção de mais de 130 milhões de toneladas/ano de toda celulose produzida no mundo, é amplamente difundido devido à reciclagem dos produtos químicos utilizados na polpação, NaOH e Na2S e a co-geração de energia e vapor durante o processo de recuperação química, onde o licor negro fraco residual do cozimento da madeira é transformado em licor negro forte, pela evaporação da água e concentração deste licor. Avaliando a composição química e a diferença no teor de sólidos ocasionado pela evaporação da água do licor foi proposto estudar o processo corrosivo causado pela presença de licor negro em diferentes tipos de metais utilizados em planta de evaporação, avaliando as propriedades físico-químicas do licor negro em dois pontos distintos da planta de evaporação, o impacto causado pelo efeito da presença de licor negro em ligas de aço 1020, aços inoxidáveis 304L e duplex SAF 2205 e comparar a taxa de corrosão e a resistência de polarização sofrida pelo aço 1020, aços inoxidáveis 304L e duplex SAF 2205 em duas concentrações diferentes. Para verificação da taxa de corrosão, foram utilizados conceitos eletroquímicos conforme a metodologia ASTM G59-97, onde foram confeccionados eletrodos com os três tipos de aços a serem estudados, sendo estes imersos na solução de licor negro, e avaliados suas respectivas taxas de corrosão e resistência de polarização. Em todas as condições estudadas o aço 1020 apresentou a pior taxa de corrosão entre os metais estudados. Para os aços inoxidáveis 304L e duplex SAF 2205, os dois apresentam taxas de corrosão aceitáveis para sua utilização, com pequenas vantagens entre determinadas situações entre os aços 304L e o duplex SAF 2205, porém como as taxas de corrosão se mantiveram próxima nas várias situações estudadas assim é necessário avaliar a viabilidade financeira da aplicação de uma das duas ligas em processo.