El proceso kraft (también conocido como pulpa kraft o proceso de sulfato ) es un proceso de conversión de madera en pulpa de madera , que consiste en fibras de celulosa casi puras , el componente principal del papel . El proceso kraft implica el tratamiento de astillas de madera con una mezcla caliente de agua, hidróxido de sodio (NaOH) y sulfuro de sodio (Na 2 S), conocida como licor blanco , que rompe los enlaces que unen la lignina , la hemicelulosa y la celulosa . La tecnología implica varios pasos, tanto mecánicos como químicos. Es el método dominante para producir papel. En algunas situaciones, el proceso ha sido controvertido porque las plantas kraft pueden liberar productos olorosos y, en algunas situaciones, producir desechos líquidos sustanciales . [1] [2] [3]
El nombre del proceso deriva de la palabra alemana Kraft , que en este contexto significa "fuerza", debido a la resistencia del papel kraft producido mediante este proceso. [4]
Un precursor del proceso kraft se utilizó durante las guerras napoleónicas en Inglaterra. [5] El proceso kraft fue inventado por Carl F. Dahl en 1879 en Danzig , Prusia , Alemania . La patente estadounidense 296.935 se emitió en 1884, y en 1890 se inició en Suecia una fábrica de celulosa que utilizaba esta tecnología. [6] La invención de la caldera de recuperación por GH Tomlinson a principios de la década de 1930 fue un hito en el avance del proceso kraft. [7] Permitió la recuperación y reutilización de los productos químicos inorgánicos de la pulpa, de modo que una fábrica de papel kraft es un proceso casi de ciclo cerrado con respecto a los productos químicos inorgánicos, aparte de los utilizados en el proceso de blanqueo. Por esta razón, en la década de 1940, el proceso kraft reemplazó al proceso de sulfito como método dominante para producir pulpa de madera. [6]
Las astillas de madera comunes que se utilizan en la producción de pulpa miden entre 12 y 25 milímetros (0,47 a 0,98 pulgadas) de largo y 2 a 10 milímetros (0,079 a 0,394 pulgadas) de espesor. Normalmente, las virutas entran primero en el prevapor , donde se humedecen y se precalientan con vapor . Las cavidades del interior de las astillas de madera fresca están llenas en parte de líquido y en parte de aire. El tratamiento con vapor hace que el aire se expanda y aproximadamente el 25% del aire sea expulsado de las astillas. El siguiente paso es saturar las patatas fritas con licor blanco y negro . El aire que queda en las astillas al comienzo de la impregnación con licor queda atrapado dentro de las astillas. La impregnación se puede realizar antes o después de que las astillas entren al digestor y normalmente se realiza por debajo de los 100 °C (212 °F). Los licores de cocción consisten en una mezcla de licor blanco, agua en trozos, vapor condensado y licor negro débil. Durante la impregnación, el licor de cocción penetra en la estructura capilar de las virutas y se inician reacciones químicas a baja temperatura con la madera. Una buena impregnación es importante para conseguir una cocción homogénea y bajos rechazos. Alrededor del 40 al 60 % de todo el consumo de álcali, en el proceso continuo, se produce en la zona de impregnación.
Luego, las astillas de madera se cuecen en digestores presurizados. Algunos digestores funcionan de forma discontinua y otros en un proceso continuo. Son comunes los digestores que producen 1.000 toneladas o más de pulpa por día, y los más grandes producen más de 3.500 toneladas por día. [8] Normalmente, la deslignificación requiere alrededor de dos horas [9] a una temperatura de 170 a 176 °C (338 a 349 °F). En condiciones de digestión, la lignina y la hemicelulosa se degradan para dar fragmentos que son solubles en el líquido fuertemente básico. La pulpa sólida (aproximadamente el 50 % en peso de las astillas de madera secas) se recoge y se lava. En este punto la pulpa se conoce como caldo marrón por su color. Los líquidos combinados, conocidos como licor negro (por su color), contienen fragmentos de lignina, carbohidratos provenientes de la descomposición de la hemicelulosa, carbonato de sodio , sulfato de sodio y otras sales inorgánicas.
Una de las principales reacciones químicas que sustentan el proceso kraft es la escisión de los enlaces éter por los iones nucleofílicos sulfuro (S 2− ) o bisulfuro (HS − ). [7]
El exceso de licor negro contiene aproximadamente un 15% de sólidos y se concentra en un evaporador de efecto múltiple . Después del primer paso, el licor negro tiene entre un 20 y un 30 % de sólidos. A esta concentración, el jabón de colofonia sube a la superficie y se retira . El jabón recogido se procesa posteriormente hasta obtener aceite de resina . La eliminación del jabón mejora la operación de evaporación de los efectos posteriores.
El licor negro débil se evapora aún más hasta alcanzar un 65% o incluso un 80% de sólidos ("licor negro pesado" [10] ) y se quema en la caldera de recuperación para recuperar los químicos inorgánicos para su reutilización en el proceso de fabricación de pulpa. Una mayor cantidad de sólidos en el licor negro concentrado aumenta la eficiencia energética y química del ciclo de recuperación, pero también proporciona una mayor viscosidad y precipitación de sólidos (obstrucción y ensuciamiento del equipo). [11] [12] Durante la combustión, el carbono orgánico de la mezcla reduce el sulfato de sodio a sulfuro de sodio:
Esta reacción es similar a la reducción termoquímica de sulfato en geoquímica.
Las sales fundidas ("fundidas") de la caldera de recuperación se disuelven en un agua de proceso conocida como "lavado débil". Esta agua de proceso, también conocida como "licor blanco débil", está compuesta por todos los licores utilizados para lavar lodos de cal y precipitados de licor verde . La solución resultante de carbonato de sodio y sulfuro de sodio se conoce como "licor verde". El color verde del mismo nombre del licor verde surge de la presencia de sulfuro de hierro coloidal. [13] Este líquido luego se mezcla con óxido de calcio , que se convierte en hidróxido de calcio en solución, para regenerar el licor blanco utilizado en el proceso de pulpa mediante una reacción de equilibrio (se muestra Na 2 S ya que es parte del licor verde, pero no no participar en la reacción):
El carbonato de calcio precipita del licor blanco y se recupera y calienta en un horno de cal donde se convierte en óxido de calcio (cal).
El óxido de calcio (cal) se hace reaccionar con agua para regenerar el hidróxido de calcio utilizado en la Reacción 2:
La combinación de las reacciones 1 a 4 forma un ciclo cerrado con respecto al sodio, azufre y calcio y es el concepto principal del llamado proceso de recaustificación donde se hace reaccionar carbonato de sodio para regenerar hidróxido de sodio .
La caldera de recuperación también genera vapor a alta presión que se alimenta a turbogeneradores, reduciendo la presión del vapor para el uso del molino y generando electricidad . Una fábrica de celulosa kraft moderna es más que autosuficiente en su generación eléctrica y normalmente proporcionará un flujo neto de energía que puede ser utilizada por una fábrica de papel asociada o vendida a industrias o comunidades vecinas a través de la red eléctrica local. [14] Además, los residuos de corteza y madera a menudo se queman en una caldera eléctrica separada para generar vapor.
Aunque las calderas de recuperación que utilizan la invención de GH Tomlinson se han utilizado de forma generalizada desde principios de la década de 1930, se han realizado intentos para encontrar un proceso más eficiente para la recuperación de productos químicos para cocinar. Weyerhaeuser ha operado con éxito un gasificador de flujo arrastrado de licor negro Chemrec de primera generación en su planta de New Bern en Carolina del Norte , mientras que una planta de segunda generación está funcionando a escala piloto en la planta de Smurfit Kappa en Piteå , Suecia . [15]
Las astillas de madera cocidas terminadas se soplan a un tanque de recolección llamado tanque de soplado que opera a presión atmosférica. Esto libera mucho vapor y volátiles. Los volátiles se condensan y recogen; En el caso de las maderas blandas del norte , se compone principalmente de trementina en bruto .
El cribado de la pulpa después de su despulpado es un proceso mediante el cual la pulpa se separa de grandes agramizas , nudos , suciedad y otros desechos. La aceptación es la pulpa. El material separado de la pulpa se llama rechazo .
La sección de cribado consta de diferentes tipos de tamices (cribas) y limpieza centrífuga. Los tamices normalmente se instalan en una operación en cascada de varias etapas porque cantidades considerables de fibras buenas pueden ir a la corriente de rechazo cuando se intenta lograr la máxima pureza en el flujo de aceptación.
La fibra que contiene agramizas y nudos se separa del resto del rechazo y se reprocesa en un refinador o se devuelve al digestor. El contenido de nudos suele ser del 0,5 al 3,0% de la producción del digestor, mientras que el contenido de azotes es del 0,1 al 1,0%.
El stock marrón del soplado pasa a las etapas de lavado donde se separan los licores de cocción usados de las fibras de celulosa. Normalmente una fábrica de celulosa tiene de 3 a 5 etapas de lavado en serie. Las etapas de lavado también se colocan después de la deslignificación con oxígeno y también entre las etapas de blanqueo. Los lavadores de pulpa utilizan un flujo a contracorriente entre las etapas de modo que la pulpa se mueve en dirección opuesta al flujo de las aguas de lavado. Están implicados varios procesos: espesamiento / dilución , desplazamiento y difusión . El factor de dilución es la medida de la cantidad de agua utilizada en el lavado en comparación con la cantidad teórica necesaria para desplazar el licor de la pulpa espesada. Un factor de dilución más bajo reduce el consumo de energía, mientras que un factor de dilución más alto normalmente produce una pulpa más limpia. Un lavado minucioso de la pulpa reduce la demanda química de oxígeno ( DQO ).
Se utilizan varios tipos de equipos de lavado:
En una fábrica moderna, el material marrón (fibras de celulosa que contienen aproximadamente un 5% de lignina residual) producido mediante la fabricación de pulpa se lava primero para eliminar parte del material orgánico disuelto y luego se deslignifica mediante una variedad de etapas de blanqueo . [dieciséis]
En el caso de una planta diseñada para producir pulpa para fabricar papel para sacos o cartón para cajas y embalajes, no siempre es necesario blanquear la pulpa hasta lograr un alto brillo. El blanqueo disminuye la masa de pulpa producida en aproximadamente un 5%, disminuye la resistencia de las fibras y aumenta el costo de fabricación.
Se añaden productos químicos de proceso para mejorar el proceso de producción:
La pulpa producida por el proceso kraft es más fuerte que la producida por otros procesos de fabricación de pulpa y mantiene una alta proporción efectiva de azufre (sulfidez), un determinante importante de la resistencia del papel. Los procesos de sulfito ácido degradan la celulosa más que el proceso kraft, lo que conduce a fibras más débiles. La pulpa kraft elimina la mayor parte de la lignina presente originalmente en la madera, mientras que los procesos de pulpa mecánica dejan la mayor parte de la lignina en las fibras. La naturaleza hidrófoba de la lignina [19] interfiere con la formación de enlaces de hidrógeno entre la celulosa (y la hemicelulosa) en las fibras necesarias para la resistencia del papel [6] (la resistencia se refiere a la resistencia a la tracción y a la resistencia al desgarro).
La pulpa kraft es más oscura que otras pulpas de madera, pero se puede blanquear para obtener una pulpa muy blanca. La pulpa kraft completamente blanqueada se utiliza para fabricar papel de alta calidad donde la fuerza, la blancura y la resistencia al amarillamiento son importantes.
El proceso kraft puede utilizar una gama más amplia de fuentes de fibra que la mayoría de los demás procesos de fabricación de pulpa. En el proceso kraft se pueden utilizar todos los tipos de madera, incluidos los tipos muy resinosos como el pino del sur , [20] y especies no madereras como el bambú y el kenaf .
Los principales subproductos de la fabricación de pulpa kraft son la trementina de sulfato crudo y el jabón de tall oil . La disponibilidad de estos depende en gran medida de las especies de madera, las condiciones de crecimiento, el tiempo de almacenamiento de los troncos y astillas y el proceso del aserradero. [21] Los pinos son las maderas más ricas en extracción. La trementina cruda es volátil y se destila del digestor, mientras que el jabón crudo se separa del licor negro gastado mediante la decantación de la capa de jabón formada en la parte superior de los tanques de almacenamiento de licor. De los pinos, el rendimiento medio de trementina es de 5 a 10 kg/t de pulpa y de tall oil crudo es de 30 a 50 kg/t de pulpa. [21]
Varios subproductos que contienen sulfuro de hidrógeno , metilmercaptano , sulfuro de dimetilo , disulfuro de dimetilo y otros compuestos volátiles de azufre son la causa de las emisiones al aire malolientes características de las fábricas de celulosa que utilizan el proceso kraft. [22] Las emisiones de dióxido de azufre de las fábricas de pasta kraft son mucho menores que las de las fábricas de sulfito. En el aire ambiente fuera de una típica fábrica de celulosa kraft moderna, el olor a dióxido de azufre sólo se percibe durante situaciones de perturbación, por ejemplo cuando la fábrica se para por una pausa de mantenimiento o cuando se produce un corte de energía prolongado. El control de los olores se logra mediante la recolección y quema de estos gases olorosos en la caldera de recuperación junto con el licor negro. En los molinos modernos, donde se queman sólidos bien secos en la caldera de recuperación, apenas sale dióxido de azufre de la caldera. A altas temperaturas de ebullición, el sodio liberado de las gotas de licor negro reacciona con el dióxido de azufre, eliminandolo eficazmente formando cristales inodoros de sulfato de sodio .
Las plantas de celulosa casi siempre están ubicadas cerca de grandes masas de agua debido a su importante demanda de agua. La deslignificación de pulpas químicas libera cantidades considerables de material orgánico al medio ambiente, particularmente a ríos o lagos. Los efluentes de aguas residuales también pueden ser una fuente importante de contaminación, ya que contienen ligninas de los árboles, alta demanda biológica de oxígeno (DBO) y carbono orgánico disuelto (DOC), junto con alcoholes , cloratos , metales pesados y agentes quelantes . Los efluentes del proceso pueden ser tratados en una planta de tratamiento biológico de efluentes , lo que puede reducir sustancialmente su toxicidad. [23] [24]
