Desenvolvimento de modelos para estimar as condições de cozimento que maximizem o rendimento de pastas cruas de eucalipto com índice kappa fixo

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Moreira, Rodrigo Varanda
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10316/103001
Resumo: Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Química apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
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spelling Desenvolvimento de modelos para estimar as condições de cozimento que maximizem o rendimento de pastas cruas de eucalipto com índice kappa fixoModel development to estimate cooking conditions that maximize eucalyptus kraft pulp yield with fixed kappa numberE. globulusE. nitensE. urograndisvariáveis do processo kraftmodelos de regressão linearE. globulusE. nitensE. urograndiskraft process variableslinear regression modelsDissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Química apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaDevido a restrições de produção de madeira de E. globulus para abastecer a indústria papeleira portuguesa e por questões de mercado, tem-se recorrido cada vez mais à importação de madeira de outros locais, como de Espanha e de países fora da Europa como o Brasil e Moçambique. Esta importação causa diversos problemas, desde logo a variabilidade natural causada pelos fatores edafoclimáticos de cada região, mas ainda em maior escala, a diferença de composição química de diferentes espécies de madeira em relação ao E. globulus e, consequentemente, apresentarem um comportamento ao cozimento diferente. Algumas das espécies importadas mais relevantes são o E. nitens e o E. urograndis. O cozimento de misturas destas madeiras, que têm condições ótimas de cozimento diferenciadas, implica uma perda de rendimento das espécies para as quais as condições de cozimento não são as mais adequadas. Assim, o objetivo da presente dissertação é o de construir modelos que permitam otimizar as condições de cozimento de misturas destas espécies, mais especificamente, maximizar o rendimento (RT%) para um dado nível de deslenhificação fixo "objetivo", traduzido pelo valor de índice kappa (IK). Foram recolhidos dados de cozimentos laboratoriais previamente realizados e elaborados planeamentos de experiências adicionais cujos cozimentos foram realizados no RAIZ. Procedeu-se também à recolha de dados industriais relativos ao processo de produção de pasta crua num dos complexos industriais da The Navigator Company. Foram desenvolvidos modelos de regressão linear com base no software JMP Pro, e avaliados na sua significância através de vários testes de hipóteses. Foram estudados os efeitos da temperatura (T), do tempo (t), da carga alcalina (AA/PM), do índice de sulfureto e da percentagem de incorporação de madeiras importadas (%Inc.). Relativamente aos modelos elaborados com base em dados laboratoriais, estes conseguiram, no geral, captar os principais efeitos das variáveis em estudo e respetivas interações. O modelo relativo à mistura com E. nitens atingiu R^2 de 88.6 e 79.2% para a previsão de IK e de RT%, respetivamente. Como exemplo, para a estimativa de RT%, obteve-se: RT%=116.65-0.01*%Inc. nitens-0.31*T-0.06*t-50.61*AA/PM. Para o modelo de mistura com E. urograndis atingiram-se R^2 de 88.7 e 65.1% para a previsão de IK e RT%. Os modelos foram validados através da realização de cozimentos nas condições dadas pela otimização com eles realizada, tendo sido capazes de prever satisfatoriamente as características das pastas produzidas. Adicionalmente, os modelos foram utilizados como auxílio à elaboração do planeamento estatístico de experiências seguinte, com uma madeira de E. urograndis de proveniência diferente, tendo sido capazes de prever com exatidão o resultado dos cozimentos planeados que se encontravam próximos da gama de aplicação dos modelos. Esse planeamento estatístico foi feito com as variáveis (temperatura, tempo, carga alcalina e taxa de incorporação de madeira) a dois níveis e com os pontos centrais realizados em triplicado. Os modelos baseados nos resultados obtidos nestes cozimentos atingiram R^2 de 85.7 e 82.4% para a estimação de IK e de RT%, por esta ordem, tendo sido comprovada a capacidade de previsão do modelo. No que diz respeito aos modelos desenvolvidos com dados industriais recolhidos de forma passiva, ou seja, sem causar perturbações no processo, estes mostraram-se úteis para conjeturar acerca de possíveis fontes de variabilidade processual e analisar se o controlo do processo está a ser adequadamente realizado, bem como indicar sentidos de ajuste das condições operatórias em cenários possíveis. Os R^2 atingidos foram, respetivamente, 62.1, 40.4 e 26.6% para a alcalinidade ativa residual nas extrações superior e inferior de licor e para o IK. Ainda que estes valores sejam baixos, encontram-se dentro do que seria expectável para um modelo construído com dados recolhidos de forma passiva de um processo industrial. Devido ao facto da temperatura de cozimento não ter tido efeitos significativos na previsão do IK, poder-se-á inferir que o controlo deste por via da manipulação da temperatura está a ser adequadamente realizado. Por outro lado, o facto do efeito da temperatura de cozimento ter sido significativo na estimativa das alcalinidades residuais dos licores extraídos indica que o ajuste do IK através da manipulação desta variável causa efeitos na alcalinidade residual. Isto sugere que deveriam ser manipuladas outras variáveis, nomeadamente a alcalinidade do licor de cozimento, para compensar este efeito. A variável calculada da produção, usando a velocidade de rotação do chipmeter pode, potencialmente, ser usada como uma variável descritiva da madeira, com o objetivo de reduzir a variabilidade observada dentro de uma mesma espécie de madeira.Due to restrictions on producing E. globulus wood to supply the Portuguese paper industry, as well as market reasons, wood has been increasingly imported from other countries, such as Spain and countries outside Europe like Brazil and Mozambique. This import causes several problems, beginning with the natural variability caused by the soil and climatic factors of each region, and even on a larger scale, the difference in chemical composition of different wood species in relation to E. globulus and, therefore, having a different cooking behaviour. Some of the most relevant imported species are E. nitens and E. urograndis. The cooking of mixtures of these woods, which have different optimal cooking conditions, implies a loss of yield in species for which the cooking conditions are not the most suitable. Thus, the objective of the present dissertation is to build models that allow optimizing the cooking conditions of mixtures of these species, more specifically, maximizing the yield (RT%) for an "objective" fixed level of delignification, given by the value of the kappa number (IK). Data from previously carried out laboratory cookings were collected and additional designs of experiments were made, whose cookings were carried out at RAIZ. Industrial data was also collected on the kraft pulp production process in one of The Navigator Company's industrial complexes. Linear regression models were developed in JMP Pro, and evaluated for their significance through several hypothesis tests. The effects of temperature (T), time (t), alkaline charge (AA/PM), sulfidity and percentage of incorporation of imported wood (%Inc.) were studied. Regarding the models made with laboratory data, they managed, in general, to capture the main effects of the variables under study and their interactions. The model of mixture with E. nitens reached R^2 of 88.6 and 79.2% for the prediction of IK and RT%, respectively. As an example, for the prediction of RT%, it was obtained: RT%=116.65-0.01*%Inc. nitens-0.31*T-0.06*t-50.61*AA/PM. Regarding the model of mixture of E. globulus with E. urograndis, values of 88.7 and 65.1% of R^2 were reached for the estimation of IK and RT%. The models were validated by carrying out cookings under the conditions given by the optimization carried out with those models, having been able to predict satisfactorily the characteristics of the produced kraft pulps. Additionally, these models were used as an aid in the development of the next design of experiments, with E. urograndis from a different provenance, having been able to accurately predict the results of the planned cooking that were close to the range of these models. That design of experiments was made with the variables (temperature, time, alkaline charge and rate of wood incorporation) with two levels and with the central points performed in triplicate. The models based on the results of these cookings reached R^2 of 85.7 and 82.4% for the estimation of IK and RT%, in this order, having been proved the prediction capability of the model. Regarding models developed with industrial data passively collected, that is, without causing disturbances in the process, they are useful in conjecturing about possible sources of variability and understanding if the process control is being properly performed, as well as indicating directions for adjusting the operating conditions in possible scenarios. The R^2 reached were, respectively, 62.1, 40.4 and 26.6% for the residual active alkali on the superior and inferior extractions and for IK. Even though these values are low, they are within what would be expectable for a model built with passively collected data from an industrial process. Due to the fact that the cooking temperature had not a significant effect for predicting the value of IK can be inferred that this value's control is being properly performed. On the other hand, the fact that the cooking temperature effect is considered significant on the estimation of the residual alkali of the extracted liquors, indicates that the adjustment of IK through manipulation of this variable is causing effects on the residual alkali. This suggests that other variables should be manipulated, namely the cooking liquor alkalinity, to compensate this effect. The calculated production variable, using the chipmeter velocity can, potentially, be used as a wood descriptive variable, with the objective of reducing the variability observed within a wood specie.2022-07-272028-07-25T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesishttp://hdl.handle.net/10316/103001http://hdl.handle.net/10316/103001TID:203079280porMoreira, Rodrigo Varandainfo:eu-repo/semantics/embargoedAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-10-27T11:09:33Zoai:estudogeral.uc.pt:10316/103001Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:19:52.927454Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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