Una fábrica de pulpa es una instalación de fabricación que convierte virutas de madera u otras fuentes de fibra vegetal en un tablero de fibra grueso que puede enviarse a una fábrica de papel para su posterior procesamiento. La pulpa se puede fabricar mediante métodos mecánicos, semiquímicos o totalmente químicos ( procesos kraft y sulfito ). [1] El producto terminado puede ser blanqueado o no, según los requisitos del cliente.
La madera y otros materiales vegetales utilizados para fabricar pulpa contienen tres componentes principales (además del agua): fibras de celulosa (necesarias para la fabricación de papel ), lignina (un polímero tridimensional que une las fibras de celulosa ) y hemicelulosas (polímeros de carbohidratos de ramificación más corta ). El objetivo de la fabricación de pulpa es descomponer la estructura en masa de la fuente de fibra, ya sean astillas, tallos u otras partes de la planta, en las fibras constituyentes.
El proceso de despulpado químico logra esto degradando la lignina y la hemicelulosa en pequeñas moléculas solubles en agua que pueden eliminarse de las fibras de celulosa sin despolimerizar las fibras de celulosa (la despolimerización química de la celulosa debilita las fibras). Los diversos métodos de despulpado mecánico, como el despulpado con madera molida (GW) y el despulpado mecánico refinador (RMP), separan físicamente las fibras de celulosa unas de otras. Gran parte de la lignina permanece adherida a las fibras. La resistencia se ve afectada porque las fibras pueden cortarse. Los métodos de despulpado híbridos relacionados utilizan una combinación de tratamiento químico y térmico para comenzar un proceso de despulpado químico abreviado, seguido inmediatamente por un tratamiento mecánico para separar las fibras. Estos métodos híbridos incluyen el despulpado termomecánico (TMP) y el despulpado químico-termomecánico (CTMP). Los tratamientos químico y térmico reducen la cantidad de energía requerida posteriormente por el tratamiento mecánico y también reducen la cantidad de pérdida de resistencia que sufren las fibras.
Los primeros métodos conocidos para preparar pulpa para la fabricación de papel eran los que utilizaban agua, en Samarcanda del siglo VIII , durante el califato abasí . [2]
Gran parte de la información sobre la tecnología que aparece en las siguientes subsecciones proviene del libro de CJ Biermann. [3] La química de los diversos procesos de despulpe se puede encontrar en el libro de Sjöström. [4]
La fuente de fibra más común para las plantas de pulpa es la madera para pulpa . Otras fuentes comunes son el bagazo [5] y los cultivos de fibra. El primer paso en todas las plantas que utilizan madera (árboles) como fuente de fibra es quitar la corteza . La corteza contiene relativamente pocas fibras utilizables y oscurece la pulpa. La corteza eliminada se quema, junto con otro material vegetal inutilizable, para generar vapor para hacer funcionar la planta. Luego, casi toda la madera se tritura antes de procesarla más para liberar las fibras.
La eliminación de la corteza se realiza con una descortezadora . La adherencia de la corteza es de unos 3-5 kg/cm2 en la época de crecimiento (verano) y 2-3 veces mayor en la época de reposo (invierno). La corteza de los troncos congelados es aún más difícil de eliminar.
En las plantas de pulpa química, la corteza introduce contaminantes no deseados, como calcio , sílice y aluminio , que provocan incrustaciones y suponen una carga adicional para el sistema de recuperación de sustancias químicas. La corteza de abedul contiene betulina , un terpenoide que crea fácilmente depósitos en una planta de pulpa.
Los primeros molinos utilizaban rodillos de piedra arenisca para triturar pequeños troncos de madera llamados "pernos", pero el uso de piedra natural terminó en la década de 1940 con la introducción de piedras manufacturadas con carburo de silicio u óxido de aluminio incrustados . La pulpa obtenida mediante este proceso se conoce como pulpa de "madera molida a piedra" (SGW). Si la madera se muele en un molino presurizado y sellado, la pulpa se clasifica como pulpa de "madera molida a presión" (PGW). La mayoría de los molinos modernos utilizan astillas en lugar de troncos y discos metálicos estriados llamados placas refinadoras en lugar de muelas. Si las astillas se muelen simplemente con las placas, la pulpa se denomina pulpa "mecánica refinadora" (RMP), si las astillas se cuecen al vapor mientras se refinan, la pulpa se denomina pulpa "termomecánica" (TMP). El tratamiento con vapor reduce significativamente la energía total necesaria para fabricar la pulpa y disminuye el daño (corte) a las fibras. Los molinos de pulpa mecánica utilizan grandes cantidades de energía, principalmente electricidad, para alimentar los motores que hacen girar los molinos. Una estimación aproximada de la energía eléctrica necesaria es de 10.000 megajulios ( MJ) por tonelada de pulpa (2.750 kWh por tonelada ).
Los procesos de pulpa química, como el proceso kraft (o al sulfato) y el proceso al sulfito , eliminan gran parte de las hemicelulosas y la lignina. El proceso kraft daña menos las fibras de celulosa que el proceso al sulfito , por lo que produce fibras más fuertes, pero el proceso al sulfito produce una pulpa que es más fácil de blanquear. Los procesos de pulpa química utilizan una combinación de alta temperatura y productos químicos alcalinos (kraft) o ácidos (sulfito) para romper los enlaces químicos de la lignina. Sin embargo, la contaminación atmosférica y los contaminantes en los efluentes de aguas residuales en el proceso de pulpa kraft han sido ampliamente documentados [6] [7] [8]
El material que se introduce en el digestor debe ser lo suficientemente pequeño como para permitir que el licor de despulpe penetre completamente en las piezas. En el caso de la madera, los troncos se cortan en astillas y las astillas se tamizan para garantizar que la alimentación al digestor sea de un tamaño uniforme. Las astillas de gran tamaño se utilizan como combustible o se pasan nuevamente por la astilladora, mientras que el aserrín se puede quemar o recolectar para su venta. Las astillas tamizadas o el material vegetal cortado ( bambú , kenaf , etc.) van al digestor donde se mezclan con una solución acuosa de los productos químicos de despulpe y luego se calientan con vapor. En el proceso kraft, los productos químicos de despulpe son hidróxido de sodio y sulfuro de sodio y la solución se conoce como licor blanco. En el proceso al sulfito, el producto químico de despulpe es una mezcla de metal (sodio, magnesio, potasio o calcio) y sulfito de amonio o sulfito.
Después de varias horas en el digestor, las astillas o el material vegetal cortado se descomponen hasta adquirir una consistencia espesa similar a una papilla y se "expulsan" o exprimen desde la salida del digestor a través de una esclusa de aire. El cambio repentino de presión produce una rápida expansión de las fibras, que se separan aún más. La suspensión de fibras resultante en solución acuosa se denomina "materia prima marrón".
Las lavadoras de pulpa marrón, mediante flujo a contracorriente , eliminan los productos químicos de cocción usados y la lignina y hemicelulosa degradadas. El líquido extraído, conocido como licor negro en el proceso kraft y licor rojo o marrón en los procesos de sulfito, se concentra, se quema y los compuestos de sodio y azufre se reciclan en el proceso de recuperación. Los lignosulfonatos son un subproducto útil recuperado del licor usado en el proceso de sulfito. [9] La pulpa limpia (stock) se puede blanquear en la planta de blanqueo o dejar sin blanquear, según el uso final. El stock se rocía sobre el alambre de la máquina de pulpa, el agua se escurre, se elimina más agua presionando la hoja de fibras y luego la hoja se seca. En este punto, las hojas de pulpa tienen varios milímetros de espesor y una superficie áspera: todavía no es papel. La pulpa seca se corta, se apila, se empaca y se envía a otra instalación para cualquier proceso adicional que sea necesario.
La pulpa kraft blanqueada y la pulpa al sulfito blanqueada se utilizan para fabricar papel de impresión blanco de alta calidad. Uno de los usos más visibles de la pulpa kraft sin blanquear es la fabricación de bolsas de papel marrón para la compra y papel de regalo, donde la resistencia es especialmente importante. Un tipo especial de pulpa al sulfito blanqueada, conocida como pulpa soluble, se utiliza para fabricar derivados de celulosa como la metilcelulosa , que se utilizan en una amplia gama de productos de uso diario, desde laxantes hasta productos horneados y cola para papel tapiz .
Algunas fábricas tratan previamente las astillas de madera u otros materiales vegetales como la paja con carbonato de sodio , hidróxido de sodio , sulfito de sodio y otros productos químicos antes de refinarlos con equipos similares a los de una fábrica mecánica. Las condiciones del tratamiento químico son mucho menos rigurosas (temperatura más baja, tiempo más corto, pH menos extremo) que en un proceso de pulpa química, ya que el objetivo es hacer que las fibras sean más fáciles de refinar, no eliminar la lignina como en un proceso completamente químico. Las pulpas fabricadas mediante estos procesos híbridos se conocen como pulpas quimiotermomecánicas (CTMP). A veces, una fábrica de CTMP se ubica en el mismo sitio que una fábrica de kraft para que el efluente de la fábrica de CTMP pueda tratarse en el proceso de recuperación de kraft para regenerar los productos químicos inorgánicos de la pulpa.
El proceso de fabricación de pulpa implica muchas etapas de producción, normalmente acopladas a tanques de almacenamiento intermedios. Como cada etapa tiene una fiabilidad diferente y los cuellos de botella pueden variar de un día para otro, la programación de una planta de pulpa debe tener en cuenta estos cuellos de botella y la probabilidad de una perturbación o avería. [10] Cada etapa también puede tener diferentes variables de decisión, como el aporte de vapor/agua/químicos, etc. Por último, la programación debe tener en cuenta la optimización del combustible y las emisiones de CO2 , porque parte de los requisitos energéticos pueden satisfacerse con calderas de combustibles fósiles. [11] El objetivo general es maximizar la producción al mínimo coste.
Los aceros inoxidables se utilizan ampliamente en la industria de pulpa y papel [12] por dos razones principales: para evitar la contaminación del producto con hierro y su resistencia a la corrosión de los diversos productos químicos utilizados en el proceso de fabricación de papel. [12]
En todo el proceso de fabricación de pulpa se utiliza una amplia gama de aceros inoxidables. Por ejemplo, se utilizan aceros inoxidables dúplex en digestores para convertir virutas de madera en pulpa de madera y aceros inoxidables superausteníticos con 6 % de Mo en la planta de blanqueo .