ES2115664T5 - Metodo para blanquear pasta y reactor. - Google Patents
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Abstract
Un método para blanquear pasta, que comprende:<br /><br />introducir pasta que tiene una consistencia elevada, superior a 20%, en una zona de reacción;<br /><br />introducir en la zona de reacción un agente blanqueante gaseoso que contiene ozono; y<br /><br />avanzar la pasta a través de la zona de reacción en una manera similar al flujo de pistón durante un<br /><br />tiempo suficiente para obtener blanqueo de la pasta;<br /><br />caracterizado porque la pasta está en forma de partículas que tienen un tamaño suficiente para facilitar una penetración sustancialmente completa por el agente blanqueante gaseoso que contiene ozono cuando se expone a éste; las partículas de pasta se elevan, desplazan y agitan cuando pasan a través de la zona de reacción para dispersar las partículas de pasta en el agente blanqueante que contiene ozono y para exponer sustancialmente todas las superficies de una mayoría de las partículas de pasta al agente blanqueante gaseoso que contiene ozono; y se hace avanzar las partículas dispersas de pasta a través de la zona de reacción a un índice de dispersión de 8 o menos para formar una pasta blanqueada de modo sustancialmente uniforme que tiene una blancura GE incrementada.
Description
Método para blanquear pasta y reactor.
Esta invención se refiere a un método para
deslignificar y blanquear pasta lignocelulósica con un agente
blanqueante gaseoso que contiene ozono, al uso de un aparato
reactor para blanquear pasta de alta consistencia con ozono y a un
aparato reactor para blanquear pasta de alta consistencia con
ozono.
Para evitar el uso de cloro como agente
blanqueante de pasta o de otros materiales lignocelulósicos, se ha
intentado anteriormente usar ozono en el blanqueo de pasta química.
Aunque inicialmente puede parecer que el ozono es un material ideal
para blanquear materiales lignocelulósicos, las propiedades
oxidantes excepcionales del ozono y su coste relativamente alto han
limitado anteriormente el desarrollo de procesos satisfactorios de
blanqueo con ozono de materiales lignocelulósicos en general y
especialmente de pastas de coníferas del sur.
El ozono reacciona fácilmente con la lignina
reduciendo eficazmente la cantidad de lignina en la pasta, pero
también ataca agresivamente, en muchas condiciones, a los hidratos
de carbono que constituyen las fibras celulósicas de la madera,
reduciendo sustancialmente la resistencia de la pasta resultante.
Igualmente, el ozono es extremadamente sensible a las condiciones
del proceso, como el pH, en cuanto a su estabilidad oxidante y
química. Cambios en estas condiciones del proceso pueden alterar
significativamente la reactividad del ozono con los materiales
lignocelulósicos.
Desde que las capacidades deslignificantes del
ozono fueron reconocidas hacia comienzos del siglo, numerosos
investigadores han realizado trabajos sustanciales y continuos en
campo para desarrollar un método comercialmente adecuado de usar
ozono en el blanqueo de materiales lignocelulósicos. Además, se han
publicado numerosos artículos y patentes en este área y ha habido
publicaciones de intentos de realizar el blanqueo con ozono a escala
piloto, no comercial. Por ejemplo, la patente
US-A-2.466.633, de Brabender et
al., describe un proceso de blanqueo en el que se hace pasar
ozono a través de una pasta que tiene un contenido de humedad
(referido a consistencia absolutamente seca) de entre 25 y 55 por
ciento y un pH ajustado a un intervalo de 4 a 7.
Otras secuencias de blanqueo sin cloro han sido
descritas por S. Rothenberg, D. Robinson y D. Johnsonbaugh,
"Bleaching of Oxygen Pulps with Ozone", TAPPI,
182-185 (1975) [Z, ZEZ, ZP y ZP_{a} (P_{a}:
ácido peroxiacético)]; y por N. Soteland, "Bleaching of
Chemical Pulps with Oxygen and Ozone", Pulp and Paper
Magazine of Canada, T153-158 (1974) (OZEP, OP y
ZP). Además, la patente
US-A-4.196.043, de Singh, describe
un proceso de blanqueo en varias etapas que utiliza ozono y
peróxido, que también intenta eliminar el uso de compuestos de cloro
e incluye el reciclado de efluentes.
Se conocen generalmente diversos aparatos de
blanqueo que utilizan un cilindro central con varios brazos unidos
a éste (véanse, por ejemplo, las patentes
US-A-1.591.070, de Wolf, 1.642.978 y
1.643.566, ambas de Thorne, 2.431.478, de Hill, y 4.298.426, de
Torregrossa et al.). También, las patentes
US-A-3.630.828, de Liebergott et
al., y 3.725.193, de De Montigny et al., describen un
aparato de blanqueo para uso con pasta que tiene una consistencia
superior a 15 por ciento, aparato que incluye un cilindro rotativo
que tiene brazos desfibradores distanciados radialmente para
desintegrar la pasta. La patente
US-A-4.093.506, de Richter,
describe un método y un aparato para la distribución y mezclado
continuos de pasta de alta consistencia con un fluido de
tratamiento, como cloro o dióxido de cloro. El aparato consiste en
un bastidor concéntrico que tiene una porción cilíndrica, una
porción cónica abierta, generalmente convergente, que se extiende
hacia fuera desde un extremo de la porción cilíndrica, y una pared
cerrada que se extiende hacia dentro desde el otro extremo de la
porción cilíndrica. Un cilindro rotor montado en el interior del
bastidor incluye un núcleo al que están unidos una pluralidad de
brazos. Cada uno de estos brazos está conectado a un álabe o aspa de
transporte. La rotación del cilindro permite que el fluido de
tratamiento se distribuya y se mezcle con la pasta "lo más
uniformemente posible".
La patente
US-A-4.278.496, de Fritzvold,
describe un ozonizador vertical para tratar pasta de alta
consistencia (esto es, 35-50%). El gas
oxígeno/ozono y la pasta (a un pH de aproximadamente 5) se
transportan a la parte superior del reactor para ser distribuidos
por toda la sección transversal de modo que el gas se pone en
contacto íntimo con las partículas de pasta. La pasta y la mezcla
gaseosa se distribuyen en capas sobre medios de soporte en una
serie de cámaras subyacentes. Los medios de soporte incluyen
aberturas o ranuras que tienen una forma tal que la pasta forma
puentes de masa a través de aquellas mientras que el gas pasa por
todo el reactor en contacto íntimo con la pasta.
El desplazamiento de la pasta a través del
reactor tiene lugar por rotura repetida, pero controlada, de los
medios de soporte por la rotación de los medios desfibradores que
están unidos a un cilindro central y que giran por la acción de
éste. Esto permite que la pasta pase a través de las aberturas y al
interior de las cámaras subyacentes.
La patente
US-A-4.123.317, de Fritzvold et
al., describe más específicamente el reactor descrito en la
patente US-A-4.278.496, de
Fritzvold, antes mencionada. Este reactor se usa también para tratar
pasta con una mezcla gaseosa de oxígeno/ozono.
Las patentes
US-A-4.468.286 y
US-A-4.426.256, ambas de Johnson,
describen un método y un aparato para el tratamiento continuo de
pasta papelera con ozono. Se hace pasar la pasta y el ozono a lo
largo de diferentes recorridos, juntos o por separado.
La patente
US-A-4.363.697
(=EP-A1-0.030.158) ilustra ciertos
transportadores de aleta helicoidal que están modificados por
incluir paletas, aletas helicoidales cortadas y dobladas o
combinaciones de las mismas, para uso en el blanqueo de pasta de
baja consistencia con oxígeno. El método de acuerdo con este
documento se usa para tratar pasta de consistencia media o baja
para la deslignificación con oxígeno. El método de acuerdo con la
presente invención usa ozono para tratar pasta de alta consistencia.
El ozono es mucho más reactivo que el oxígeno y el ozono es
autorreactivo. La elevada reactividad del ozono permite que la
reacción se produzca esencialmente de modo completo antes que
ocurra una reacción apreciable entre la pasta y el gas portador,
que es oxígeno.
Las patentes
FR-A1-1.441.787 y
EP-A-276.608 describen otros métodos
para blanquear pasta con ozono.
La patente
EP-A-308.314 describe un reactor
para blanquear pasta con ozono, que utiliza un transportador de
aleta helicoidal cerrada, en el que el gas ozono se bombea a través
de un cilindro central para su distribución por todo el reactor. La
pasta tiene una consistencia de 20-50% y la
concentración de ozono en el gas de tratamiento es entre 4 y 10%,
de modo que se consigue una aplicación de 2 a 8% de ozono sobre
fibra absolutamente seca (OD). El transportador de tornillo es un
medio de avance pero no es un medio dispersante, y no puede elevar,
desplazar ni agitar la pasta en dirección radial de la misma manera
que en la presente invención. El transportador empuja una capa
delgada de pasta a lo largo del fondo de una carcasa y expone, por
lo tanto, sólo una capa delgada de pasta del fondo de la cámara a
la mezcla gaseosa que contiene ozono. Esto permite que la reacción
pasta/ozono ocurra en la superficie de la capa de pasta, pero no por
toda la pasta, como en la presente invención.
A partir del prospecto 06/89 de Kraftanlagen
Heidelberg, "Die Pilotanlage für das
ASAM-Verfahren" se conoce un reactor de
blanqueamiento de ozono en el que la pasta es soplada hacia una
torre con tres etapas, tras lo cual cae en un tanque de agua.
Sin embargo, a pesar de todas las
investigaciones realizadas en este área, hasta la fecha no se ha
descrito ningún proceso comercialmente viable para la fabricación
de pastas lignocelulósicas blanqueadas con ozono a partir de pastas
de coníferas y pastas relacionadas, especialmente de coníferas del
sur, y se han publicado numerosos defectos.
La presente invención proporciona un método y un
aparato nuevos con agente blanqueante que contiene ozono para
blanquear pasta que tiene una consistencia superior a 20%, que
resuelve los problemas encontrados en la técnica anterior
mencionada aquí, para producir una pasta blanqueada de gran calidad
de una manera comercialmente viable.
La presente invención se refiere a un método
para blanquear partículas de pasta desde una primera blancura GE
hasta una segunda blancura GE mayor, con ozono como agente
blanqueante gaseoso, como el especificado en la reivindicación 1;
al uso de un aparato reactor como el especificado en la
reivindicación 7; y a un aparato reactor para blanquear pasta de
alta consistencia con ozono, como el especificado en la
reivindicación 8. Este aparato comprende una carcasa y medios para
introducir partículas de pasta en la carcasa. Las partículas de
pasta deben tener una consistencia superior a 20%, una primera
blancura GE y un tamaño de partículas suficiente para facilitar una
penetración sustancialmente completa de una mayoría de las
partículas de pasta por un agente blanqueante gaseoso cuando
aquellas se exponen a éste.
El aparato incluye también medios para
introducir en la carcasa un agente blanqueante gaseoso que contiene
ozono y medios para dispersar las partículas de pasta en el agente
blanqueante gaseoso mientras las partículas de pasta avanzan a
través de la carcasa. Los medios dispersantes y de avance comprenden
medios para contactar, mezclar y dispersar íntimamente las
partículas de pasta con el agente blanqueante gaseoso, elevando,
desplazando y agitando las partículas de pasta en dirección radial
y haciendo avanzar a las partículas de pasta en dirección axial, de
modo que el agente blanqueante gaseoso fluye y rodea a las
partículas de pasta elevadas, desplazadas y agitadas. Esto expone
sustancialmente todas las superficies de la mayoría de las
partículas de pasta al agente blanqueante gaseoso.
Los medios dispersantes y de avance hacen
avanzar a las partículas dispersas de pasta en una manera similar
al flujo de pistón durante un tiempo de permanencia suficiente
durante el cual la temperatura se mantiene a un nivel suficiente
para conseguir una transferencia de masa del agente blanqueante
gaseoso a las partículas de pasta. Esto, a su vez, produce un
blanqueo sustancialmente uniforme en la mayoría de las partículas de
pasta, produciéndose una pasta blanqueada que tiene una segunda
blancura GE mayor. El tiempo de permanencia se basa en las
dimensiones del reactor, caudal de alimentación de las partículas
que entran y configuración y funcionamiento de los medios
dispersantes y de avance. Además, la carcasa del aparato puede estar
orientada para utilizar la fuerza de la gravedad para ayudar al
avance de las partículas de pasta.
Los medios de introducción del agente
blanqueante gaseoso controlan el caudal y el tiempo de permanencia
del agente blanqueante gaseoso en la carcasa. Esto se consigue
mediante control del caudal de la corriente del gas de alimentación
junto con el nivel de llenado de sólidos en el reactor. El gas de
alimentación tiene una concentración específica de ozono de modo
que el nivel de ozono aplicado a la pasta es el deseado. El control
del caudal del gas de alimentación y de la concentración de ozono,
junto con el mezclado y contacto íntimos con las partículas de
pasta, originan una elevada transferencia de masa del agente
blanqueante gaseoso a la pasta para blanquear la pasta al nivel de
blancura deseado.
Los medios dispersantes y de avance de las
partículas de pasta incluyen un transportador de paletas que tiene
un cilindro que se extiende a través de la carcasa a lo largo de un
eje longitudinal de la misma y que tiene un primer extremo situado
adyacente al extremo de la carcasa por donde entran las partículas
de pasta y un segundo extremo situado adyacente al extremo de la
carcasa por donde salen las partículas de pasta. El cilindro
incluye una pluralidad de álabes de paletas que se extienden
radialmente desde el cilindro y unidos a éste y situados y
orientados en una distribución predeterminada representativa del
paso deseado del transportador de paletas. Además del paso, la
distancia entre paletas alrededor del cilindro, el tamaño y forma de
las paletas y el ángulo de orientación de las paletas son
preferiblemente seleccionados para conseguir el movimiento deseado
de las partículas de pasta a través de la carcasa.
En cualquier realización, el paso de los álabes
de paletas se puede disminuir a las mismas rpm del cilindro, para
obtener niveles de llenado mayores. Esto incrementa el tiempo de
permanencia de la pasta en el aparato con lo que se obtiene una
conversión incrementada del agente blanqueante gaseoso. El paso en
el primer extremo del cilindro puede ser mayor que el paso en el
segundo extremo del cilindro para proporcionar una velocidad
incrementada de transporte en el extremo de la entrada de pasta a la
carcasa, donde la pasta tiene la densidad aparente más baja.
También, se puede modificar el paso para reducir la eficiencia de
transporte, de modo que el cilindro puede girar a más rpm para
conseguir un contacto más eficiente de las partículas de pasta con
el agente blanqueante gaseoso y una conversión incrementada del
agente blanqueante gaseoso, manteniendo un tiempo de permanencia
sustancialmente constante de las partículas de pasta.
Los medios dispersantes y de avance de las
partículas de pasta del aparato, es decir, el transportador de
paletas, se pueden ajustar también para reducir el nivel de llenado
de las partículas de pasta en la carcasa. Este ajuste se puede
realizar proporcionando una primera sección del transportador que
tiene una velocidad de transporte mayor. Esta primera sección del
transportador está asociada funcionalmente con una segunda sección
del transportador para dispersar las partículas de pasta en el
agente blanqueante gaseoso. Ventajosamente, la primera y la segunda
sección del transportador incluyen elementos transportadores, como
paletas, montados en un cilindro común a una distancia suficiente
para minimizar o evitar apelotonamiento o taponamiento de las
partículas de pasta entre sí. También, se pueden usar medios para
controlar parámetros operativos de la primera y de la segunda
sección del transportador para proporcionar un nivel de llenado del
reactor, un tiempo de permanencia de las partículas de pasta y/o un
tiempo de permanencia del agente blanqueante deseados.
En una disposición preferida, la carcasa tiene
dos secciones de la carcasa, una montada sobre la otra y que miran
en direcciones opuestas. La primera sección (o superior) de la
carcasa incluye la primera y la segunda sección del transportador a
través de las cuales la pasta avanza a un conducto que lleva a la
sección inferior de la carcasa, donde la pasta es tratada
adicionalmente cuando avanza por la acción de una tercera sección
del transportador hacia la salida de la sección inferior de la
carcasa. Esta disposición ahorra espacio en planta.
El flujo del gas a través del aparato puede ser
en corriente paralela (en la misma dirección) o en contracorriente
con respecto a la pasta que avanza, aunque se prefiere el flujo del
gas en contracorriente. Además, los medios para introducir el
agente blanqueante gaseoso en la carcasa pueden estar situados en
una única posición que introduce el agente blanqueante gaseoso en
corriente paralela o en contracorriente con respecto a la pasta que
avanza en una o en varias localizaciones.
Se puede usar un depósito de dilución para
recibir la pasta blanqueada y el agente blanqueante gaseoso
residual. El aparato incluye además medios para recuperar el agente
blanqueante gaseoso residual y medios para recuperar la pasta
blanqueada. Los medios para recuperar la pasta blanqueada comprenden
una primera salida situada en una porción inferior del depósito de
dilución y, para el flujo del gas en corriente paralela, los medios
para recuperar el agente blanqueante gaseoso residual comprenden
una segunda salida situada en una porción superior del depósito de
dilución.
Un componente particularmente útil del presente
aparato incluye medios para desintegrar las partículas de pasta.
Dichos medios están asociados funcionalmente con los medios para
introducir las partículas de pasta en la carcasa.
La figura 1 es una gráfica de las rpm del
cilindro frente a la presión de consolidación de la pasta, para
transportadores de pasta de diferentes diámetros;
la figura 2 es una gráfica de la presión de
consolidación de la pasta frente a la distancia crítica entre
paletas, para una pasta de coníferas del sur de 42% de
consistencia;
la figura 3 es una gráfica de la concentración
de litio en pasta que sale del reactor frente al tiempo después de
añadir, en la entrada del reactor, pasta tratada con litio como
indicador para determinar el tiempo de permanencia de la pasta en
el reactor, para ciertos transportadores de paletas;
la figura 4 es una gráfica de distribuciones
relativamente anchas y estrechas del tiempo de permanencia, para
ciertos transportadores de paletas;
la figura 5 es una gráfica del nivel de llenado
del reactor frente a la velocidad del cilindro, para diferentes
transportadores de paletas;
la figura 6 es una gráfica de tiempos de
permanencia de la pasta frente a la velocidad del cilindro, para
diferentes transportadores de paletas;
la figura 7 es una vista lateral de un reactor
preferido de ozono de acuerdo con la invención;
la figura 8 es una vista lateral aumentada del
reactor de la figura 7;
las figuras 9A y 9B son vistas de los
transportadores de paletas del reactor de la figura 7;
la figura 10 es una vista transversal del
reactor de la figura 8, tomada a lo largo de la línea
10-10;
las figuras 11 y 12 son vistas laterales y en
perspectiva de una paleta típica para uso en el transportador de
las figuras 9A y 9B;
la figura 13 es una gráfica de la concentración
de litio en pasta que sale del reactor frente al tiempo después de
añadir, en la entrada del reactor, pasta tratada con litio, para el
transportador de paletas del ejemplo 5;
las figuras 14-16 son
fotografías que estudian el reactor a lo largo de una línea paralela
al cilindro para mostrar la dispersión de la pasta en función de
diversas velocidades del cilindro y
las figuras 17-20 son vistas de
diferentes elementos transportadores.
El reactor de la presente invención utiliza un
agente blanqueante gaseoso, como ozono, minimizando el grado de
ataque a la porción celulósica de la madera, formando así un
producto que tiene propiedades de resistencia aceptables para la
fabricación de papeles y de diversos productos papeleros. Antes de
describir los detalles del aparato reactor, es beneficioso tener un
conocimiento del proceso fundamental de deslignificación y blanqueo
en el que se emplea el aparato.
El gas ozono que se usa en el proceso de
blanqueo se puede emplear en forma de una mezcla de ozono con
oxígeno y/o con un gas inerte o en forma de una mezcla de ozono con
aire. La cantidad de ozono que se puede incorporar
satisfactoriamente en los gases de tratamiento está limitada por la
estabilidad del ozono en la mezcla gaseosa. Para uso en esta
invención son adecuadas mezclas de gas ozono que típicamente, aunque
no necesariamente, contienen aproximadamente 1-8%
en peso de ozono en una mezcla de ozono/oxígeno o
1-4% en peso de ozono en una mezcla de ozono/aire.
Una mezcla preferida es 6% de ozono, siendo el resto
predominantemente aire. La mayor concentración de ozono en la
mezcla de ozono/oxígeno permite el uso de reactores de tamaño
relativamente menor y un tiempo de reacción más corto para tratar
cantidades equivalentes de pasta, con lo que se reduce el coste de
capital requerido para el equipo.
Un factor controlante adicional del blanqueo de
la pasta es el peso relativo de ozono usado para blanquear un peso
dado de pasta. Esta cantidad está determinada, al menos en parte,
por la cantidad de lignina que hay que eliminar durante el proceso
de blanqueo con ozono, balanceada frente a la cantidad relativa de
degradación de la celulosa que se puede tolerar durante el blanqueo
con ozono. Preferiblemente, se usa una cantidad de ozono que
reacciona con aproximadamente 50% a 70% de la lignina presente en la
pasta.
Hay muchos métodos de medir el grado de
deslignificación aunque la mayoría son variaciones del ensayo de
permanganato. El ensayo normal de permanganato proporciona un
índice de permanganato o "K", que es el número de centímetros
cúbicos de solución de permanganato potásico décimonormal
consumidos, en condiciones especificadas, por un gramo de pasta
absolutamente seca. Se determina por el ensayo estándar TAPPI
T-214.
La cantidad total de lignina, puesta de
manifiesto por el índice K final, debe ser tal que el ozono no
reaccione excesivamente con la celulosa disminuyendo
sustancialmente el grado de polimerización de la celulosa.
Preferiblemente, la cantidad de ozono añadido, basado en el peso
absolutamente seco de la pasta, es típicamente de aproximadamente
0,2% a aproximadamente 2% para alcanzar los niveles de lignina
deseados. Se pueden requerir cantidades mayores si en el sistema
están presentes cantidades significativas de sólidos disueltos.
Puesto que el ozono es relativamente costoso, es ventajoso y eficaz
en cuanto al coste utilizar las cantidades
\hbox{mínimas
necesarias para obtener el blanqueo deseado.}
La duración de la reacción usada en la etapa de
blanqueo con ozono está determinada por el grado de terminación
deseado de la reacción de blanqueo con ozono, indicado por un
consumo completo o sustancialmente completo del ozono que se
utiliza. Este tiempo variará dependiendo de la concentración de
ozono en la mezcla de gas ozono, reaccionando más rápidamente
mezclas de ozono relativamente más concentradas, y de la cantidad
relativa de lignina que se desee eliminar. Los tiempos de
permanencia preferidos de la pasta y del gas se describen con más
detalle más adelante.
Una característica importante de la invención es
que la pasta se blanquea uniformemente. Esta característica se
obtiene en parte por la desintegración de la pasta, antes del
tratamiento con ozono, en partículas discretas de pasta de un
tamaño suficiente y de una densidad aparente suficientemente baja
para que la mezcla de gas ozono penetre completamente en una
mayoría de los flóculos de fibras.
Una característica importante adicional de la
invención es que, durante el proceso de blanqueo con ozono, las
partículas que se han de blanquear deben estar expuestas a la mezcla
blanqueante de ozono mezclando de modo que se permita un acceso
aproximadamente igual de la mezcla de gas ozono a todos los
flóculos. El mezclado de la pasta en la mezcla de gas ozono da
resultados superiores en cuanto a uniformidad, comparados con los
resultados obtenidos con un lecho estático o móvil de pasta, en el
que algo de pasta se aisla del gas ozono con respecto a otra pasta,
debido a diferencias de altura del lecho y de densidad aparente en
diversas posiciones dentro del lecho. Esto causa un paso no
uniforme del gas que contiene ozono a través del lecho de fibras,
lo cual a su vez origina un contacto gas/pasta no uniforme y un
blanqueo no uniforme. El aparato de la presente invención tiene más
capacidad de minimizar la caída de presión y es también más flexible
porque puede funcionar fácilmente con gas ozono que se mueve en
corriente paralela o en contracorriente con respecto a la pasta,
comparado con un reactor de lecho que usa sólo movimiento en
corriente paralela.
Para comprender las características
excepcionales del reactor de la presente invención, hay que
familiarizarse con los términos y principios usados en el
transporte de sólidos que utiliza transportadores de tornillo. El
concepto de paso de tales transportadores es bien conocido por los
expertos en la materia (véase, por ejemplo, Mechanical Conveyors
for Bulk Solids, de H. Colijn, Elsevier, Nueva York, 1985).
En un transportador de tornillo de aletas
cerradas, por ejemplo, el paso es la distancia medida desde un punto
cualquiera de una aleta del tornillo hasta el punto correspondiente
de la aleta adyacente del tornillo, medida paralela al eje del
cilindro (el punto correspondiente se puede encontrar siguiendo el
borde de la aleta 360º alrededor del cilindro). En un tornillo de
paso completo, la distancia medida entre estos puntos es igual al
diámetro de la aleta del tornillo.
Una variante del transportador de tornillo de
aletas cerradas es uno que usa paletas discretas que están situadas
distanciadas a lo largo de la línea helicoidal que seguiría el
transportador de tornillo de aletas cerradas. Por lo tanto, en un
transportador de paletas, las paletas reemplazan a las aletas del
tornillo y el paso es la distancia desde un punto cualquiera de una
paleta al punto correspondiente de la paleta adyacente, medida
paralela al eje del cilindro. Sin embargo, en ciertas
configuraciones de paletas, algunas de las paletas están separadas
y, en esta situación, el punto correspondiente es el punto en que
habría estado la paleta después de una rotación de 360º cuando se
sigue un recorrido a lo largo y entre los bordes de las paletas.
La terminología para designar la distancia entre
paletas incluye una relación angular y una distancia determinada
por el paso. Por ejemplo, una configuración de paletas de 60º y de
paso completo, de un transportador de 458 mm de diámetro, tiene las
seis primeras paletas distanciadas 76 mm a lo largo del eje del
cilindro, estando situada cada paleta sucesiva 60º alrededor de la
circunferencia del cilindro desde la paleta anterior. La
distribución de las paletas se repite en los siguientes 458 mm. Una
configuración de paletas de 120º y de paso completo, del mismo
transportador de 458 mm de diámetro, tiene las tres primeras paletas
distanciadas 152 mm a lo largo del eje del cilindro, estando
situada cada paleta sucesiva 120º alrededor de la circunferencia
del cilindro. La distribución de las paletas se repite en los
siguientes 458 mm. Una configuración de paletas de 120º y de paso
un medio, del mismo transportador de 458 mm de diámetro, tendría las
paletas distanciadas 76 mm a lo largo del eje del cilindro, estando
situada cada paleta sucesiva 120º alrededor de la circunferencia
del cilindro. También, hay una repetición de la distribución de las
paletas que aparece en los primeros 458 mm de la longitud axial del
cilindro.
La configuración de paletas de 240º requiere una
discusión adicional. Como ejemplo, una configuración de 240º y de
paso un cuarto, de un transportador de 458 mm, tiene también seis
paletas distanciadas 76 mm a lo largo del eje del cilindro, pero
ahora cada paleta sucesiva está situada 240º alrededor de la
circunferencia del cilindro. En los siguientes 458 mm de longitud
del cilindro, se repite esta distribución. Dibujando un recorrido
helicoidal a lo largo de los bordes de las paletas, se encontraría
que las seis paletas generan cuatro hélices repetitivas cada 458 mm
a lo largo del cilindro: por lo tanto, se confirma la distribución
de paso un cuarto, pero sólo la primera, cuarta y séptima paletas
están en la posición 12 del reloj (o a 0º) en los 458 mm de
longitud del eje.
Hay otras numerosas variables que pueden ser
controladas en transportadores de paletas. El ángulo de la paleta
es la orientación de una paleta individual, medida por una línea
proyectada sobre el cilindro desde la cara de la paleta con
respecto a una línea paralela al eje del cilindro. Como los expertos
en la técnica de transporte deben conocer, un ángulo de la paleta
de 45º proporciona las mayores fuerzas axiales (esto es, en la
dirección del eje del cilindro) al material que se ha de
transportar. Cuando este ángulo disminuye hacia 0º o cuando aumenta
hacia 90º, disminuyen las fuerzas axiales. A 0º y 90º no hay en
absoluto fuerzas axiales.
Una ventaja notable de usar la configuración de
paletas, en oposición a otras configuraciones alternativas, como el
mezclador de cinta y el tornillo continuo con aberturas curvadas en
las aletas, es que con las paletas existe la opción de proporcionar
una orientación única y definida de las paletas con respecto al eje
de rotación. Esto significa que las paletas pueden estar unidas al
cilindro en puntos específicos a lo largo del eje de rotación.
Además, se puede ajustar el ángulo de las paletas, definido
anteriormente, de modo que las paletas estén orientadas
específicamente para proporcionar un movimiento de avance o de
retroceso del material que está siendo procesado a través del
reactor. Esto tiene la ventaja de que, al usar el aparato, las
paletas se pueden orientar como se requiera, para proporcionar una
cantidad dada de reacción en una porción dada del reactor o para
hacer retroceder o avanzar el material que está siendo procesado.
Una ventaja adicional de las paletas es que las paletas
individuales se pueden ajustar fácilmente para proporcionar cambios
relativos a condiciones operativas entre tipos diferentes de pastas
o entre condiciones de proceso diferentes, en oposición al tornillo
continuo y elementos similares,
\hbox{que podrían requerir
reemplazar toda la unidad.}
El tamaño y forma de las paletas son variables
adicionales. Las dimensiones físicas de las paletas planas
particulares para uso en transportadores de paletas de diversos
diámetros han sido normalizadas por la Asociación de fabricantes de
equipos de transporte, Conveyor Equipment Manufacturer's
Association (CEMA), en su boletín ANSI/CEMA
300-1981 titulado Screw Conveyor Dimensional
Standars. Se puede consultar este boletín para los detalles
dimensionales y configuraciones específicas de elementos
alternativos de transporte. También, se pueden adoptar otras
formas, como diseños de paletas cóncavas, curvadas o inclinadas,
dependiendo de los resultados de blanqueo deseados.
Finalmente, los transportadores de paletas
tienen una cierta "mano" que, junto con la dirección de
rotación del cilindro, determina una dirección axial de flujo del
material que se ha de transportar. Una configuración "de mano
izquierda" en un cilindro que gira en sentido de las agujas del
reloj, cuando se ve desde el extremo del cilindro, transporta
material alejándolo del observador, mientras que una configuración
"de mano derecha", cuando gira en sentido de las agujas del
reloj, transporta material hacia el observador. En una rotación en
sentido contrario a las agujas del reloj, el material es
transportado en dirección opuesta: la dirección del
\hbox{flujo se invierte invirtiendo la dirección de
rotación.}
Aunque el modo preferido de funcionamiento del
aparato de la presente invención utiliza un nivel de llenado del
recipiente de aproximadamente 10 a 50, y preferiblemente de
aproximadamente 10 a 40 por ciento, técnicas de análisis de
imágenes han mostrado que la mayoría de las fibras de pasta situadas
en el reactor de la presente invención están suspendidas en la fase
gaseosa. Esto es al contrario que las fibras que se mueven a lo
largo de la parte inferior del tubo transportador, como se podría
esperar normalmente cuando se usa un transportador continuo de
tornillo de aletas cerradas.
"Nivel de llenado", tal como se usa aquí,
se refiere a la cantidad de pasta en los espacios abiertos del
reactor en volumen. Por ejemplo, un nivel de llenado de 25% indica
que el 25% de los espacios abiertos del reactor están llenos de
pasta, basado en la densidad aparente de la pasta cuando está
quieta, la cantidad de pasta en el reactor y el volumen del
reactor. Para un diseño de transportador, alimentación de pasta y
rpm del cilindro particulares, se obtiene un nivel particular de
llenado. Variando las rpm, a caudal constante de pasta, se puede
cambiar el nivel de llenado. Si se aumentan las rpm, se reduce el
nivel de llenado proporcionalmente. En la presente invención, el
nivel de llenado debe ser suficiente para permitir que se disperse
una proporción significativa de pasta. Esto requiere generalmente
un nivel de llenado superior a 10%. De modo similar, el nivel de
llenado es preferiblemente inferior a aproximadamente 50% para
proporcionar suficientes espacios abiertos en los que se pueda
dispersar la pasta. Los niveles de llenado ventajosos varían de
aproximadamente 15 a 40%. Se pueden usar niveles de llenado tan
altos como aproximadamente 75%, pero con eficiencias reducidas de
contacto gas/pasta.
El reactor de la presente invención se construye
de tal manera que minimiza la dispersión axial de las fibras cuando
son transportadas hacia delante. La técnica convencional desaconseja
el uso de un transportador de paletas que comprenda paletas de
tamaño menor que el estándar CEMA montadas en una configuración de
paletas sin solapamiento. La técnica anterior predice grandes áreas
no barridas o zonas muertas en el reactor que originan una
distribución ancha del tiempo de permanencia de la pasta, siendo el
resultado una pasta blanqueada no uniforme. La técnica convencional
indica también que la suspensión de las fibras causaría que una
porción de las fibras cayera sobre el cilindro del centro del
transportador, en cuyo caso las fibras no serían transportadas
hacia delante tan eficientemente, causando también una dispersión
axial ancha de las fibras. El diseño de paletas preferido de la
presente invención origina inesperadamente una dispersión axial
estrecha de las fibras. El diseño de paletas preferido suspende las
fibras impartiendo momento suficiente para transportarlas hacia
delante causando que el movimiento radial suspenda las fibras en la
fase gaseosa. Este mismo fenómeno fuerza también a las fibras de la
zonas muertas a moverse también hacia delante siendo el resultado
final sólo un grado pequeño de dispersión axial de las fibras
cuando se mueven hacia delante. Este pequeño grado de dispersión es
equivalente a una distribución estrecha del tiempo de permanencia de
las fibras, lo cual origina un blanqueo uniforme. Estas
características permiten que las partículas de pasta sean
deslignificadas y blanqueadas de modo sustancialmente uniforme, al
contenido de lignina, viscosidad y blancura deseados.
Un transportador preferido es uno que tiene
paletas situadas a distancias de 240º en una distribución helicoidal
de paso un cuarto a lo largo de la longitud del cilindro, estando
situada cada paleta a un ángulo de aproximadamente 45º con el eje
del cilindro. En un reactor transportador de 482 mm, con pasta de
alta consistencia de entrada como la descrita anteriormente, la
longitud del transportador es tal que el tiempo de permanencia de la
pasta es aproximadamente 60 segundos para velocidades del cilindro
de aproximadamente 75 rpm mientras que el tiempo de permanencia del
gas es aproximadamente 50 segundos.
Se puede usar una diversidad de pasos en los
transportadores de paletas, de aletas cortadas y curvadas y de
otros tipos. Se ha encontrado que un paso de un cuarto es el
preferido en el reactor de la presente invención aunque es posible
usar otros pasos para aplicaciones particulares.
La norma CEMA especifica ciertos tamaños de
paletas para diámetros dados. En esta invención, estos tamaños se
denominarán tamaño "estándar". Para conseguir un buen contacto
pasta/gas, se pueden usar paletas grandes que tienen una superficie
doble que el tamaño estándar. Sin embargo, tales paletas grandes
incrementan también significativamente la velocidad de transporte.
Para conseguir efectos mezcladores incrementados, se pueden usar
paletas pequeñas que tengan una superficie de aproximadamente la
mitad de una paleta estándar.
También se puede variar como se desee el ángulo
de las paletas. Aunque se prefiere un ángulo de 45º para conseguir
un movimiento axial máximo, se pueden usar otros ángulos para
incrementar el tiempo de permanencia de la pasta en el reactor.
La distancia entre paletas es importante para
evitar apelotonamiento de la pasta cuando se desplaza a través del
reactor puesto que el apelotonamiento perjudica obtener un blanqueo
uniforme de la pasta. El apelotonamiento (esto es, el movimiento de
pasta hacia delante en grandes grumos o masas que se han arqueado
entre paletas sucesivas) lo causan fuerzas de compactación y
consolidación ejercidas sobre la pasta, que aumentan la densidad de
la pasta y la capacidad de la pasta de adherirse sobre sí misma.
Para un diseño de transportador particular, los
expertos en la materia pueden calcular las fuerzas o tensiones
estimadas de consolidación sobre la pasta a partir de las
características operativas del transportador que utiliza la fuerza
de inercia debida al movimiento centrífugo de las paletas y la
presión estática debida al peso de la pasta. En la figura 1 se
ilustran las presiones de consolidación de transportadores de
paletas normalizadas de diferentes diámetros cuando funcionan a un
nivel de llenado de aproximadamente 25% a diversas rpm. Por
ejemplo, un reactor de paletas de 608 mm de diámetro funcionando a
60 rpm generaría una presión estimada de consolidación de
aproximadamente 2,41x10^{5} Pa.
Para la pasta particular que se ha de blanquear,
se puede medir la resistencia de la pasta frente a la presión de
consolidación y estimar después a qué distancia deben estar las
paletas para evitar apelotonamiento (esto es, la longitud más allá
de la cual la pasta no puede soportar su propio peso y se rompe en
segmentos más pequeños). Para una pasta de coníferas del sur de 42%
de consistencia, la figura 2 ilustra una representación gráfica de
la distancia crítica (mínima) calculada entre paletas frente a la
presión de consolidación. Para el ejemplo particular, una fuerza de
consolidación de 2,41x10^{5} Pa sugiere una distancia mínima entre
paletas de aproximadamente 152 mm.
La distancia entre paletas se determina midiendo
la distancia en línea recta entre los dos puntos más próximos de
bordes de paletas adyacentes. En un transportador de paletas de 240º
y de paso un cuarto, los dos puntos más próximos son el borde
posterior de la primera paleta y el borde delantero de la cuarta
paleta. En otras configuraciones, como de 60º y de paso completo,
los dos puntos más próximos serían el borde posterior de la primera
paleta y el borde delantero de la segunda paleta. En una
configuración particular de paletas, esta distancia debe ser mayor
que la dimensión crítica de arqueado de la pasta para evitar
apelotonamiento.
El gas ozono se puede introducir en cualquier
posición a través de la pared exterior de la carcasa del reactor.
Las paletas pueden ayudar también a inducir el flujo de gas ozono en
dirección radial, aumentando así la transferencia de masa.
A pocas rpm, las paletas mueven la pasta de tal
manera que parece que está "rodando" o que es "elevada y
bajada" a través del reactor. A más rpm, la pasta se dispersa en
la fase gaseosa en el reactor, estando las partículas de pasta
separadas y distribuidas uniformemente por todo el gas,
produciéndose un blanqueo uniforme de la pasta. Por lo tanto, el
transportador de paletas actualmente preferido consigue los
objetivos de la presente invención, a saber:
(1) se pueden transportar a través del reactor
tonelajes altos de pasta sin compactación, apelotonamiento o
taponamiento sustancial de la pasta mientras se hace avanzar a la
pasta en una manera casi de flujo de pistón, a niveles de llenado
suficientemente altos para originar un contacto pasta/gas
aceptable,
(2) sustancialmente todas las partículas de
pasta se blanquean uniformemente en el tiempo que salen del reactor
y
(3) se consume una gran cantidad de ozono
(superior al 75 y preferiblemente superior al 90%) del ozono en el
tiempo que sale del reactor.
Otro factor que es importante en el diseño de un
reactor de blanqueo con ozono es conseguir un blanqueo uniforme de
las partículas de pasta con el agente blanqueante gaseoso, mediante
control de la distribución del tiempo de permanencia de la pasta en
el reactor. La distribución del tiempo de permanencia de la pasta en
el reactor debe ser lo más estrecha posible, esto es, idealmente la
pasta debe desplazarse a través del reactor en una manera similar
al flujo de pistón. Si algunas partículas de pasta se desplazan a
través del reactor demasiado rápidamente, serían infrablanqueadas
mientras que las que se desplazan demasiado lentamente serían
sobreblanqueadas.
Como se ha indicado anteriormente, el
transportador de paletas permite que la pasta contacte y se mezcle
eficientemente con el gas. Inesperadamente se encontró que,
incrementando las rpm de estos transportadores relativamente
ineficientes, se permitió que la pasta dispersa se desplazara a
través del reactor en una manera similar al flujo de pistón. Este
movimiento de flujo de pistón permite que la pasta consiga la
distribución estrecha deseada del tiempo de permanencia en el
reactor.
Para determinar el tiempo de permanencia de la
pasta en un transportador particular, se ha desarrollado una
técnica que usa sales de litio como indicador. Puesto que
generalmente el litio no está presente en la pasta parcialmente
deslignificada que se ha de blanquear con ozono en el reactor de la
invención, esta técnica incluye añadir una sal de litio, como
sulfato de litio o cloruro de litio, como trazador en la pasta que
entra en el reactor en un tiempo particular, tomar muestras de la
pasta que sale del reactor a intervalos de tiempo predeterminados
después de haber añadido la sal de litio, medir la cantidad de litio
en cada muestra y representar
\hbox{gráficamente la
concentración de litio frente al tiempo.}
La figura 3 ilustra la distribución del tiempo
de permanencia en cuatro transportadores diferentes de paletas, de
495 mm de diámetro interior de la carcasa, a los que se añadió una
pequeña cantidad de pasta tratada con litio en la entrada de pasta
al reactor y en los que se tomaron muestras en la salida de pasta
del reactor a intervalos de tiempo regulares. El reactor funcionó a
un nivel de llenado del 20% en cada configuración de transportador
y con un caudal de alimentación de pasta de 20 t/día. Las curvas
muestran que los transportadores que son transportadores menos
eficientes, que requieren funcionar a más rpm para mantener un nivel
de llenado deseado, proporcionan una distribución más estrecha del
tiempo de permanencia que es más próxima al flujo real de pistón.
Este control de la distribución del tiempo de permanencia de la
pasta contribuye a la uniformidad de blanqueo de la pasta.
Para designar las diversas configuraciones de
paletas se usa una notación abreviada: el primer número es la
distancia angular entre paletas; este número va seguido de una
letra, F, H o Q, que significan configuraciones de paso completo,
paso un medio o paso un cuarto, respectivamente. A continuación, dos
letras indican el tamaño de las paletas: SD, tamaño estándar (esto
es, tamaño estándar CEMA para transportadores de paso completo);
LG, tamaño grande (el doble del estándar); SM, tamaño pequeño (la
mitad del estándar). El último número son las rpm del cilindro, y
el ángulo de cada paleta con respecto al cilindro es 45º salvo que
se indique lo contrario. Así, por ejemplo, 240
Q-SM-90 rpm designa paletas de 240º,
paso un cuarto, tamaño pequeño, en un cilindro que gira a 90 rpm.
240 Q-SM-90 rpm 25º designa el mismo
diseño excepto que el ángulo de las paletas es 25º en lugar de
45º.
En un reactor ideal de flujo de pistón, todo el
material que fluye a través del reactor tiene el mismo tiempo de
permanencia, esto es, estará la misma cantidad de tiempo en el
reactor antes de salir por el otro extremo. En realidad, no se
puede obtener exactamente este resultado. En su lugar, algo del
material estará en el reactor más tiempo que otro material,
sobreblanqueándose con respecto a la cantidad media, mientras que
otra pasta con un tiempo de permanencia menor se infrablanqueará
con respecto a la media.
La distribución del tiempo de permanencia de la
pasta se puede medir usando la técnica del indicador de litio
descrita anteriormente, en la que una pequeña cantidad de la pasta
se trata con una sal de litio como trazador. Después la pasta se
añade de una vez en la entrada del reactor en el tiempo cero (t =
0). Se sigue después la concentración de litio en la pasta a la
salida del reactor tomando muestras discretas de pasta y midiendo
la concentración de litio. Si se sigue en continuo la concentración
de litio, se
\hbox{puede obtener una distribución continua del
tiempo de permanencia de la pasta.}
Las siguientes definiciones están tomadas de
The Chemical Reactor Omnibook, de O. Levenspiel, OSU Book
Stores Inc., Enero de 1989 (ISBN:
0-88246-164-8). El
tiempo medio de permanencia de la pasta es:
si la concentración del trazador,
C_{T}, se obtiene de forma continua, mientras que si C_{T} se
obtiene de forma discreta, el tiempo medio de permanencia de la
pasta puede ser calculado
por:
donde se obtuvieron n muestras para
la distribución del tiempo de permanencia. La varianza,
\sigma^{2}, de la distribución del tiempo de permanencia es una
medida de lo ancha que es ésta. La varianza viene dada
por:
y puede ser calculada para
distribuciones discretas
por:
Para un reactor de flujo de pistón perfecto, la
varianza debe ser cero. Cuanto mayor sea la varianza, más ancha
será la distribución del tiempo de permanencia de la pasta y, por lo
tanto, hay más mezclado axial. Además, una distribución más ancha
del tiempo de permanencia originará un blanqueo menos uniforme, con
algunas fibras sobreblanqueadas y algunas infrablanqueadas. Esto
puede comprometer la calidad de la pasta blanqueada y puede
consumir producto químico blanqueante en exceso. Por lo tanto, se
puede usar la varianza como medida de la uniformidad de blanqueo,
prefiriéndose un valor pequeño.
Para comparar la uniformidad de blanqueo entre
experimentos que tienen diferentes tiempos medios de permanencia es
necesario normalizar la varianza. El índice de dispersión (ID) se
define como sigue:
para distribuciones del tiempo de
permanencia medidas en continuo y puede ser calculado para
distribuciones del tiempo de permanencia medidas en continuo
por:
El índice de dispersión es proporcional a la
varianza. Esta varianza normalizada, que mide la desviación con
respecto al flujo de pistón y, por lo tanto, es una medida de la
dispersión axial, se puede usar como indicador de la uniformidad de
blanqueo. Un valor cero indicaría un flujo perfecto de pistón.
Valores mayores indican mala uniformidad de blanqueo.
Para ilustrar el concepto, considérese la figura
4 en la que se representa la distribución del tiempo de permanencia,
determinada experimentalmente, de dos diseños diferentes de
paletas: paletas de 60º, de paso completo, con solapamiento, y
paletas de 240º, de paso un cuarto, sin solapamiento. En cada caso,
la producción de pasta fue 20 t/día. Nótese especialmente que,
aunque los tiempos medios de permanencia fueron aproximadamente
iguales (49 y 45 segundos, respectivamente), el ancho de las
distribuciones es muy diferente.
En el primer caso (diseño de 60º),
aproximadamente el 10% de la pasta tiene un tiempo de permanencia
inferior a 32 segundos mientras que otro 10% tiene un tiempo de
permanencia superior a 71 segundos. En el segundo caso (diseño de
240º), el intervalo correspondiente es 36 segundos y 55 segundos. El
intervalo más ancho lo indica un índice de dispersión mayor, 8,2
frente a 2,6. La pasta con el tiempo de permanencia menor será
infrablanqueada y la pasta con el tiempo de permanencia mayor será
sobreblanqueada, con respecto a la cantidad media de blanqueo. Este
efecto sería mayor en el caso de pastas con un índice de dispersión
mayor.
También se puede hacer una comparación con
transportadores de tornillo de aletas cerradas. Los transportadores
de tornillo de aletas cerradas, aunque proporcionan un flujo próximo
al de pistón con índices de dispersión bajos, no dispersan la pasta
en el gas. No es suficiente obtener un flujo de pistón a no ser que
la pasta esté también dispersa, puesto que el flujo de pistón de
pasta no dispersa origina también un blanqueo no uniforme. Como se
ha indicado anteriormente, la pasta en el transportador de paletas
es levantada y agitada en el reactor maximizando la velocidad y
eficiencia del proceso de blanqueo, debido a la cantidad
incrementada de superficie de las fibras de pasta expuesta al
ozono.
También se ha encontrado que utilizando un
diseño de aleta helicoidal cortada y doblada, se obtienen resultados
algo similares a los obtenibles mediante el uso de un transportador
de paletas. En la figura 17 se muestra un diseño (52) de aleta
helicoidal cortada y doblada. Las porciones abiertas 54 de la aleta
56 permiten que el gas sea dirigido directamente a través de
aquellas, mientras que las porciones dobladas 58 causan tanto una
distribución radial del gas como la elevación, agitación,
desplazamiento y dispersión apropiados de la pasta en el gas cuando
se hace avanzar a la pasta, obteniéndose el blanqueo uniforme
deseado. Por lo tanto, adaptando correctamente la longitud, paso
del tornillo, velocidad de rotación del tornillo y diseño del
reactor, se consigue un tiempo de permanencia relativamente pequeño
del gas y de la pasta, cuyo resultado es una pasta blanqueada muy
uniforme.
La eficiencia total de este aparato para
blanquear se controla básicamente desarrollando una configuración
interna de paletas que funciona al contrario que la técnica
convencional de transporte. Como se ha indicado anteriormente, el
diseño convencional de paletas para el transporte ha sido
desarrollado específicamente para aumentar la eficiencia de
transporte mientras que, en la presente invención, el diseño se
proyecta para reducir sustancialmente la eficiencia de transporte.
Sin embargo, dicha reducción de la eficiencia de transporte permite
un control mejorado del tiempo de permanencia de la pasta, la
cantidad de pasta disponible para el contacto, y la utilización de
la energía necesaria para conseguir un mezclado apropiado del gas y
la pasta. La menor eficiencia de transporte permite velocidades de
rotación de las paletas relativamente altas, incrementando así la
dispersión y suspensión de la pasta en la fase gaseosa y manteniendo
una permanencia relativamente larga de la pasta en el reactor para
contactar con el ozono.
Para ilustrar los efectos sobre el nivel de
llenado y sobre el tiempo de permanencia variando el diseño de las
paletas, se presentan las figuras 5 y 6. En estos transportadores,
la alimentación de pasta fue 20 t/día de pasta absolutamente seca
(OD), el ángulo de las paletas con el cilindro fue 45º salvo que se
indique lo contrario, y se utilizó también 0,991 m^{3} CN/min de
una mezcla de ozono/oxígeno con 6% de ozono (CN = medidos en
condiciones normales). El tiempo de permanencia del gas fue
aproximadamente 60 segundos. La pasta tenía una consistencia de
aproximadamente 42%, por lo que la aplicación de ozono fue 1% sobre
pasta OD. Los datos sugieren que se prefieren niveles de llenado
entre aproximadamente 20 y 40% a una velocidad del cilindro de 40 a
90 rpm y un tiempo de permanencia de la pasta de aproximadamente 40
a 90 segundos cuando se utiliza una aplicación de ozono de
aproximadamente 1% sobre pasta OD. Además, estas gráficas muestran
cómo un cambio de las rpm del cilindro puede afectar al nivel de
llenado, tiempo de permanencia de la pasta y conversión del ozono.
En la invención, es útil un tiempo de permanencia del gas de por lo
menos 50% o más del tiempo de permanencia de la pasta,
prefiriéndose por lo menos aproximadamente 67%.
En las figuras 5 y 6, el porcentaje de
conversión de ozono se indica por un valor numérico asociado con
ciertos puntos de las gráficas. Estos datos numéricos se relacionan
también en la tabla IX del ejemplo 10 junto con el diseño de las
paletas y las condiciones operativas del reactor. Estos datos
sugieren que se pueden conseguir mayores niveles de llenado
reduciendo el paso del transportador, utilizando paletas más
pequeñas o usando un ángulo de las paletas más plano. En
particular, se obtienen reducciones sorprendentes de eficiencias de
transporte cambiando simplemente el ángulo de las paletas de 45º a
25º. Para compensar, se necesitan muchas más rpm del cilindro para
conservar los niveles de llenado.
Los transportadores de paso menor y de paletas
más pequeñas funcionan a más rpm del cilindro, conservando los
niveles de llenado deseados de 20 a 40% sin causar apelotonamiento o
taponamiento de la pasta. También, se consiguen conversiones del
gas ozono en el intervalo de 90 a 99%, consumiéndose así
eficientemente el ozono y reduciéndose los costes de generación del
mismo.
A partir de estos datos, los expertos en la
materia pueden seleccionar el diseño óptimo de las paletas para
conseguir los tiempos de permanencia y niveles de llenado deseados
así como ajustar también las rpm para controlar el nivel de llenado
para cualquier caudal de alimentación de pasta. Por ejemplo,
disminuyendo las rpm del cilindro a alimentación constante, se
incrementan el tiempo de permanencia y los niveles de llenado. Por
lo tanto, este diseño permite a los operadores ajustar el
funcionamiento del transportador en respuesta a cambios en las
propiedades de la alimentación de pasta, capacidad de producción u
otras condiciones operativas.
Aunque el reactor de la invención puede ser
utilizado para blanquear una gran variedad de diferentes pastas, un
intervalo deseable de propiedades de la pasta inicial de coníferas o
de frondosas que entra en el reactor sería un índice K de 10 o
menos, una viscosidad superior a aproximadamente 13 cp y una
consistencia superior a 25% pero inferior a 60%. Antes de entrar en
el reactor, las partículas de pasta pueden ser acondicionadas por
acidificación y/o adición de agentes quelantes de metales, para
incrementar la eficiencia del consumo de ozono por la pasta.
Después de blanquear la pasta como se ha descrito aquí, la pasta que
sale del reactor de ozono tiene una blancura GE de por lo menos 45
por ciento y generalmente de aproximadamente 45 a 70 por ciento,
siendo en las pastas de coníferas usualmente superior a 45% y en las
pastas de frondosas superior a 55%. La pasta (de frondosas o de
coníferas) tiene también una viscosidad superior a aproximadamente
10 cp y un índice K de 5 o menos y generalmente entre
aproximadamente 3 y 4.
En la figura 7 se ilustra esquemáticamente un
aparato de acuerdo con la presente invención. Antes de entrar en el
aparato, la pasta se dirige a una tina de mezcla donde es
acondicionada por tratamiento con un ácido y un agente quelante. La
pasta de baja consistencia, acidificada y quelatada, se introduce en
una unidad espesadora, como una prensa de dos rodillos, para
eliminar líquido en exceso de la pasta, con lo que la consistencia
de la pasta se eleva al nivel deseado. Por lo menos una porción de
este líquido en exceso puede ser reciclado a la tina de mezcla.
La pasta resultante de alta consistencia se pasa
a través de un alimentador de tornillo que actúa como sellante del
gas ozono en un extremo del reactor y después a través de una unidad
de desintegración, como un desfibrador, donde la pasta es
desintegrada a flóculos de fibras de un tamaño suficiente, que
tienen preferiblemente un tamaño de aproximadamente 10 mm o menos.
Las partículas desintegradas se introducen después en una cámara
dinámica de reacción con ozono, que incluye un transportador y que
está diseñada específicamente para mezclar y transportar las
partículas de pasta para permitir que toda la superficie de las
partículas queden expuestas a la mezcla de gas ozono durante el
movimiento de la pasta. Después del tratamiento con ozono, los
flóculos de fibras de pasta caen desde el reactor a un depósito de
dilución.
Como se muestra en la figura 7, se dirige pasta
de alta consistencia 10 a un dispositivo de desintegración, como un
desfibrador 12, que está montado en un extremo del reactor de ozono
14. El desfibrador 12 desintegra la pasta entrante de alta
consistencia en partículas de fibras de pasta 16 que caen después a
la cámara del reactor. El gas ozono 18 se introduce en el reactor
14 de tal manera que fluye en contracorriente con la pasta. Las
partículas de fibras de pasta 16 son blanqueadas por el ozono en el
reactor 14 eliminando típicamente una porción sustancial, pero no
toda, de la lignina. Las partículas de fibras de pasta 16 contactan
y se mezclan íntimamente con el ozono mediante el transportador de
paletas 20 que, en una realización preferida, incluye una
pluralidad de paletas 22 montadas en un cilindro 24 que gira por la
acción del motor 26.
El transportador 20 hace avanzar a las
partículas de fibras de pasta 16 agitándolas y desplazándolas en
dirección radial. También, las paletas 22 inducen al gas ozono a
fluir y rodear a las partículas de fibras de pasta por lo que todas
las superficies de las partículas están expuestas al ozono para ser
penetradas por éste de un modo sustancialmente completo. El
transportador de paletas hace avanzar a las partículas de fibras en
una manera similar al flujo de pistón, con un tiempo de permanencia
de la pasta controlado. También se controla el tiempo de
permanencia del gas ozono. Estas características permiten que las
partículas de fibras de pasta sean deslignificadas y blanqueadas
por el ozono de modo sustancialmente uniforme.
En la configuración del proceso en
contracorriente, también se presta una atención especial al diseño
de la sección de entrada de fibras de pasta/salida del gas, para
separar eficientemente las corrientes del gas y de las fibras. En
particular, las velocidades del gas en la zona de separación
gas/pasta se mantienen por debajo de la velocidad crítica que
introduciría la pasta en la corriente de salida del gas.
La figura 8 es una vista exterior aumentada del
reactor 14 de la figura 7. Las figuras 9A y 9B muestran las
secciones de transporte del transportador de paletas 20 que está
dispuesto en el reactor. La pasta procedente del desfibrador entra
en el reactor 14 por la entrada 34 de pasta y cae a la sección 20A
del transportador de paletas en la carcasa superior 38. La sección
20A del transportador tiene un diseño de paletas de mano derecha,
descrito más adelante. La entrada 34 de pasta incluye la salida 82
del agente blanqueante gaseoso, que permite a la mezcla de
ozono/oxígeno salir después de contactar con la pasta. La pasta se
desplaza en la dirección de la flecha A hasta alcanzar el extremo
de la carcasa superior 38, en cuyo momento cae a través de un
conducto, en forma de caída 40, a la sección 20B del transportador
en la carcasa inferior 44. La sección 20B del transportador tiene
un diseño de paletas de mano izquierda por lo que la pasta se
desplaza en la dirección de la flecha B. En el extremo de la
carcasa inferior 44, la pasta cae a través de la salida 46 al
depósito de dilución de pasta, como se muestra en la figura 7. En
la porción superior del depósito 30 se recibe pasta de alta
consistencia que contiene cantidades residuales de ozono. El ozono
residual puede continuar reaccionando con la pasta hasta que ésta
alcance la porción inferior del depósito donde se añade agua de
dilución 32, que sirve como sellante del gas ozono en el otro
extremo del reactor, reduciendo la consistencia de la pasta a un
nivel bajo para facilitar el desplazamiento de la pasta blanqueada
34 a través de las etapas posteriores del proceso. Las secciones
20A y 20B del transportador de paletas están accionadas por el motor
48, que hace girar al cilindro de la sección 20B del transportador,
que transmite después su fuerza de rotación al cilindro de la
sección 20A del transportador mediante el acoplamiento 50 del
accionamiento. Alternativamente, se pueden usar motores de
accionamiento independientes para cada cilindro.
El cilindro de la sección 20A del transportador
de la carcasa superior 38 (mostrado en la figura 9A) tiene tres
zonas distintas: una primera zona (A) de alimentación de pasta, que
está situada debajo de la entrada 34 de pasta, una segunda zona (B)
que sirve como zona de reacción con el agente blanqueante gaseoso, y
una tercera zona (C) de salida de las partículas de pasta, que
comprende un cilindro sin paletas, situada sobre la caída 40. En
algunas aplicaciones, la zona A puede tener la misma configuración
de paletas que la zona B.
Cuando la pasta entra en la carcasa superior 38,
tiene su densidad aparente más baja después de pasar por el
desfibrador 12. Se produce una compactación inicial cuando esta
pasta de baja densidad se encuentra con las paletas 22A de la zona
de alimentación. La primera zona del cilindro tiene, por lo tanto,
una configuración de paletas de mayor velocidad de transporte que
la segunda zona, para proporcionar el nivel deseado de llenado de
pasta. El movimiento de la pasta es aproximadamente dos veces más
rápido que el que ocurre en la segunda zona (B) de reacción con el
agente blanqueante gaseoso. Para este fin, la zona (A) utiliza
paletas 22A de tamaño estándar, de 120º, de paso un medio,
orientadas a 45º con respecto al cilindro, mientras que la zona (B)
utiliza paletas 22B de tamaño pequeño (esto es, la mitad), de 240º,
de paso un cuarto, orientadas también a 45º con respecto al
cilindro. Las paletas en las secciones A y B están unidas al
cilindro del transportador 20A en una configuración "de mano
derecha" para transportar la pasta hacia la zona C de salida de
las partículas de pasta por rotación del cilindro en sentido de las
agujas del reloj (observado mirando desde el lado izquierdo de la
figura 8).
Después de caer a la carcasa inferior 44, a
través de la caída 40, la pasta es transportada en la sección 20B
del transportador en dirección opuesta a la que resulta de la
rotación de la sección 20A del transportador. Este movimiento se
produce puesto que las paletas 22C de la sección 20B del
transportador están configuradas en una disposición "de mano
izquierda", al contrario que la configuración "de mano
derecha" de las paletas 22A y 22B de la sección 20A del
transportador. Las paletas 22C de la sección 20B del transportador
giran también en sentido de las agujas del reloj (mirando desde el
lado izquierdo) de una manera similar a las paletas en la carcasa
superior 38. En la sección 20B del transportador, la pasta entra
inicialmente en la zona D de reacción con el agente blanqueante
gaseoso, donde contacta con las paletas 22C. Las paletas 22C son
paletas de tamaño pequeño (esto es, la mitad), de 240º, de paso un
cuarto, orientadas a un ángulo de 45º con respecto al cilindro.
Esta disposición, como se ha indicado anteriormente, facilita la
reacción entre la pasta y el agente blanqueante que contiene ozono.
La zona E de la sección 20B del transportador, que está directamente
encima de la salida 46, no tiene paletas en una longitud
especificada, para permitir que la pasta caiga fuera del reactor a
través de la salida 46 al depósito de dilución situado directamente
debajo.
Como se ha indicado anteriormente, un motor 48 y
un acoplamiento 50 accionan sincrónica y simultáneamente cada uno
de los cilindros.
La figura 10 ilustra la configuración de paletas
que se encuentra en las zonas de reacción con el agente blanqueante
gaseoso (esto es, las zonas B y D) de la carcasa superior 38 y la
carcasa inferior 44, respectivamente. Como se ha descrito
anteriormente, las paletas 22B y 22C son de 240º, paso un cuarto y
orientadas a un ángulo de 45º con respecto al cilindro.
Las figuras 11 y 12 muestran la conexión de
todas las paletas 22 al cilindro 24. El álabe de paleta 22 está
soldado o unido adecuadamente de cualquier otra forma a la tuerca
23. Esta combinación está fijada al cilindro 24 por una varilla
roscada 25 que pasa a través de las tuercas 23a y de la tuerca 23
para fijar firmemente el álabe de paleta 22 al cilindro 24 en la
orientación deseada. En las paletas mostradas en las figuras
11-12, los álabes de paletas 22 están situados al
ángulo más preferido de 45º con respecto al eje longitudinal del
cilindro 24. Los álabes 22 se pueden situar a cualquier ángulo
deseado aflojando las tuercas 23a, girando la paleta 22 y volviendo
a apretar las tuercas 23a; permitiendo así modificar las paletas del
transportador para aplicaciones particulares. En lugar de esta
disposición de fijación con pernos, las paletas pueden estar
soldadas directamente al cilindro para tener diseños de transporte
más permanentes.
Las paletas incluyen una superficie que tiene un
ancho y longitud suficientes para recoger, elevar y dispersar la
pasta por todo el radio del reactor. La superficie también está
configurada y situada para hacer avanzar axialmente a las
partículas de pasta.
Aunque se prefiere un transportador de paletas,
se pueden usar otras configuraciones de transportadores. Se puede
hacer un reactor útil usando un transportador de aleta helicoidal,
que tiene las denominadas aletas "cortadas y dobladas", como
se muestra en la figura 17 antes mencionada. Una serie de aletas
cuneiformes 60 (mostradas en sección transversal en la figura 20) o
de elementos elevadores acodados 62 (mostrados en sección lateral y
en sección transversal en la figura 19) también son útiles para
suspender la pasta en el agente blanqueante gaseoso. También se
pueden usar mezcladores de cinta 64 (figura 18). Un reactor
inclinado que utiliza una aleta de cinta totalmente plana, esto es,
una que tiene paso infinito, con ángulos en lugar de álabes planos,
transporta las partículas de fibras con una acción similar de
elevación y caída para realizar el contacto y reacción deseados de
gas/pasta. El diseño de cinta inclinada origina un avance similar al
flujo de pistón de la pasta dispersa, con poco mezclado, pero este
diseño no puede ser ajustado tan fácilmente como el del
transportador de paletas. Si se desea, se puede usar una combinación
de paletas y aletas cortadas y dobladas, de acuerdo con lo
mencionado anteriormente. Transportadores de aleta helicoidal
típica, completa, no modificada, no son aceptables porque
generalmente "empujan" a la pasta en lugar de agitarla y
desplazarla como hace el transportador de paletas. Por lo tanto,
las aletas helicoidales convencionales no proporcionan un mezclado
y contacto suficientes de la pasta y el ozono para conseguir un
blanqueo uniforme de la pasta salvo que funcionen a niveles de
llenado extremadamente bajos (<10%) y con tiempos de permanencia
de la pasta relativamente altos.
Como se ha discutido a lo largo de esta memoria,
el agente blanqueante gaseoso preferido es ozono. Sin embargo, los
principios de funcionamiento de este reactor pueden ser utilizados
para el blanqueo de pasta con otros agentes blanqueantes gaseosos,
como cloro, dióxido de cloro, etc. Aunque no se prefieren agentes
blanqueantes clorados debido a la generación de efluentes que
contienen cantidades relativamente grandes de cloruros y a los
efectos medioambientales potenciales de productos orgánicos clorados
en dichos efluentes, se pueden utilizar con éxito como agentes
blanqueantes en el reactor de la invención. Para evitar problemas de
polución medioambiental, el ozono es el agente blanqueante gaseoso
más preferido.
El reactor de ozono está representado en la
figura 7 en forma de una carcasa alargada horizontal. Sin embargo,
si se desea, la carcasa puede estar ligeramente inclinada con
respecto a la horizontal para permitir que la fuerza de la gravedad
ayude en el avance de las partículas de pasta. Se puede usar un
"ángulo de avance" típico de hasta 25º.
El reactor de la figura 7 muestra la pasta que
está siendo tratada con ozono en contracorriente con la mezcla de
gas ozono. La pasta que entra en el reactor tiene el contenido de
lignina más alto y contacta inicialmente con la mezcla de ozono
casi consumido que sale, con lo que se proporciona la oportunidad
óptima de consumir prácticamente todo el ozono. Este es un método
eficiente para separar ozono de la mezcla de ozono/oxígeno u
ozono/aire. Sin embargo, alternativamente, la porción de la pasta
que ha sido blanqueada en la menor extensión puede contactar
inicialmente con la mezcla de ozono recién introducida que contiene
la cantidad máxima de ozono, pasando el gas que contiene ozono en
corriente paralela al flujo de pasta.
Cuando el ozono 18 contacta con la pasta en
contracorriente, se puede recuperar el gas ozono residual 28 como
se muestra en la figura 7. El gas ozono residual 28 procedente de la
salida 82 (figura 8) se dirige a una etapa 36 de pretratamiento con
un gas portador, donde se añade oxígeno (o aire) como gas portador
37. Esta mezcla 40 se dirige al generador de ozono 42, donde se
genera la cantidad de ozono apropiada para obtener la concentración
deseada. La mezcla apropiada de ozono/gas 18, que como se ha
indicado anteriormente contiene preferiblemente aproximadamente 6
por ciento en peso de ozono, se dirige después al reactor de ozono
14 para deslignificar y blanquear la pasta.
La pasta blanqueada después de la ozonización
tendrá una cantidad reducida de lignina y, por lo tanto, un índice
K menor y una viscosidad aceptable. Los valores exactos del índice K
y de la viscosidad que se obtienen dependen del proceso particular
al que ha sido sometida la pasta. La pasta resultante también será
notablemente más blanca que la pasta de partida. Por ejemplo, una
pasta de coníferas del sur tendrá una blancura GE de
aproximadamente 45 a 70%.
El alcance de la invención se describe
adicionalmente por los siguientes ejemplos que se indican sólo con
fines ilustrativos y que no se han de considerar en modo alguno como
limitativos del alcance de la invención. Salvo que se indique lo
contrario, todos los porcentajes de productos químicos se calculan
referidos a peso de fibra absolutamente seca (OD). También, los
expertos en la materia deben comprender que no es necesario
alcanzar exactamente los valores de blancura pretendidos puesto que
son aceptables valores de blancura GE de \pm2% con respecto al
valor pretendido. La pasta de alimentación en estos ejemplos es
pasta desfibrada blanqueada con oxígeno, que tiene un índice K de
aproximadamente 10 o menos, una viscosidad superior a
aproximadamente 13 cp, una consistencia de aproximadamente 42% y
una blancura de entrada generalmente en el intervalo de
aproximadamente 38-42% GE. Esta pasta se acidifica
a un pH de aproximadamente 2 antes de ser introducida en el reactor
de la invención.
En los ejemplos 1-10 y 13 que
siguen, el reactor era una carcasa de 495 mm de diámetro interior y
6,08 m de longitud, que tenía los intervalos de transporte
definidos. El paso completo para este reactor fue 483 mm y el
caudal de la alimentación fue generalmente, salvo que se especifique
lo contrario, aproximadamente 20 t/día de la pasta de coníferas,
blanqueada parcialmente, de 42% de consistencia, antes descrita.
Salvo que se mencione lo contrario, se utilizó un flujo de gas
ozono en contracorriente. Los datos de los ejemplos 11 y 12 se
obtuvieron en un transportador de 432 mm.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
1
Se compararon un reactor transportador de aletas
cortadas y dobladas y una realización de un reactor transportador
del tipo de paletas de la presente invención, utilizando caudales de
alimentación de pasta, velocidad de rotación y tiempo de
permanencia del gas similares. Como se pone de manifiesto por los
resultados ilustrados en la tabla 1, el uso de la configuración de
paletas originó una conversión de ozono aproximadamente 18 por
ciento mayor que la obtenida con el reactor transportador de aletas
cortadas y dobladas. El reactor de paletas presentó también un
índice de dispersión mejorado (esto es, más bajo), lo cual indica un
movimiento de la pasta próximo al flujo de
pistón.
pistón.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
2
En una comparación entre un reactor
transportador del tipo de tornillo convencional y un reactor
transportador de paletas, se diseñó específicamente la
configuración del transportador del tipo de paletas para conseguir
una velocidad de transporte más baja que la del transportador de
tornillo. Esto permitió que el transportador de paletas funcionara
a una velocidad de rotación significativamente mayor, manteniendo un
nivel de llenado equivalente al del transportador de tornillo. La
tabla II ilustra que la velocidad de rotación significativamente
mayor del transportador de paletas originó un aumento del 24 por
ciento en la conversión de ozono en el transportador de paletas. La
tabla II ilustra también cómo se puede diseñar específicamente la
configuración de las paletas para conseguir un contacto excelente
de gas/fibras, en contraste con una configuración de transporte
convencional.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
3
Se alteró el diseño de las paletas del
transportador de paletas para permitir un funcionamiento a más rpm
manteniendo un nivel constante de llenado del 20 por ciento a un
caudal de aproximadamente 18 a 20 t/día de pasta OD, con lo que se
mantuvo constante el tiempo de permanencia. La alteración del diseño
dió un aumento significativo de la conversión de ozono como se pone
de manifiesto en la tabla III. Como se muestra en este ejemplo, la
alteración de la disposición de las paletas convencionales de paso
completo, especificada por esta invención, mejoró
extraordinariamente el contacto gas/fibras por permitir un
funcionamiento con un nivel razonable de llenado a más
rpm.
rpm.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
4
Se considera a la distribución del tiempo de
permanencia de la pasta como un indicador clave de la uniformidad
del blanqueo. En una realización de la invención, se ajustó el
diseño de las paletas para originar un reactor con una distribución
mejorada, esto es, más estrecha, de la distribución del tiempo de
permanencia de la pasta. Los resultados ilustrados en la tabla IV
demuestran que la utilización de un diseño de paletas cambiado
permite un mezclado mejor a más rpm y a un nivel constante de
llenado, con una mejora significativa del índice de dispersión. Un
índice de dispersión de 0 es un flujo de pistón perfectamente no
disperso mientras que valores mayores del índice de dispersión
indican que la pasta fluye de una manera menos similar al flujo de
pistón.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
5
Una configuración de paletas preferida es un
diseño de 240º, de paso un cuarto, que usa paletas que tienen
dimensiones que son la mitad del estándar CEMA, montadas a un ángulo
de transporte de 45º. El uso de esta configuración proporciona una
gran eficiencia de conversión de ozono, como se ilustra en el
transportador de paletas del ejemplo 2. Sorprendentemente, el uso
de esta configuración proporciona el beneficio adicional de
mantener una distribución constante del tiempo de permanencia en un
amplio intervalo de condiciones operativas y de tiempos de
permanencia de las fibras, asegurando así una uniformidad de
blanqueo. Esto lo ilustran los datos del indicador de litio
mostrados en la figura 13.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
6
Una comparación de flujo del gas en corriente
paralela o en contracorriente dió resultados favorables en ambas
direcciones de flujo del gas. Usando flujo del gas en
contracorriente, resultó un incremento de la eficiencia, como se
ilustra en la tabla V.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
7
Se ajustó el tiempo de permanencia del gas en el
reactor para llevarlo a un nivel similar al del tiempo de
permanencia de la pasta. Los resultados, ilustrados en la siguiente
tabla VI, demuestran que se consigue una conversión de ozono casi
completa, obteniéndose un nivel excelente de incremento de la
blancura.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
8
Alterando la velocidad de rotación de una
configuración particular de paletas, se puede controlar el tiempo
de permanencia de la pasta para obtener la conversión de ozono
deseada, como se ilustra en la siguiente tabla VII. Los datos
presentados en esta tabla son para un transportador de paletas de
tamaño estándar, de 240º y con un ángulo de paletas de 45º.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
9
Se realizaron los siguientes ensayos para
mostrar los efectos de un cambio en el diseño de las paletas, con
una alimentación constante y las mismas rpm del cilindro.
\vskip1.000000\baselineskip
Los datos muestran que un cambio a paletas más
pequeñas reduce la eficiencia de transporte, incrementando el nivel
de llenado y el tiempo de permanencia de la pasta en el reactor.
Estos cambios originaron un rendimiento mejorado del blanqueo,
medido por la conversión de ozono y el cambio en la blancura.
En el ejemplo 10 se muestran variaciones
adicionales. A partir de esta información, los expertos en la
materia pueden determinar mejor cómo diseñar y hacer funcionar un
reactor transportador particular de paletas para conseguir el grado
deseado de blanqueo de una pasta particular.
\newpage
Ejemplo
10
La siguiente tabla IX resume el diseño
específico de paletas y las condiciones operativas específicas que
se usaron para generar las figuras 5 y 6. Se utilizaron una
alimentación de pasta de 20 t/día y un reactor con una carcasa de
495 mm de diámetro interior, a un nivel proyectado de llenado de
aproximadamente 20% para las cinco primeras filas de la tabla IX.
También se usó un agente blanqueante con 6% en peso de ozono a un
caudal de 0,991 m^{3} CN/min para aplicar aproximadamente 1% de
ozono sobre pasta OD.
\vskip1.000000\baselineskip
Los datos de la tabla IX junto con su
representación gráfica en las figuras 5 y 6 ilustran los resultados
de blanqueo posibles con diversos intervalos operativos para
determinar los niveles óptimos de contacto gas/pasta y de
conversión de ozono. Los datos indican también cómo cambiar las rpm
del cilindro para controlar el nivel de llenado y el tiempo de
permanencia de la pasta.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
11
Para verificar que los cálculos teóricos
presentados en las figuras 1 y 2 eran representativos del
funcionamiento real del transportador de paletas, se hizo una serie
de ensayos para determinar el apelotonamiento de pasta en diversos
transportadores de paletas funcionando con parámetros diferentes.
Para realizar estos ensayos, un transportador de 432 mm se equipó
con un cilindro de paletas que tenía diferentes distancias entre
paletas (89 mm, 119 mm, 150 mm, 183 mm y 229 mm) y se hizo
funcionar como se muestra en la siguiente tabla X. Se calcularon
las fuerzas de consolidación de pasta reales en kilogramos por metro
cuadrado y se estimó la distancia mínima entre paletas a partir de
los datos teóricos y se compararon con los resultados reales.
Estos datos sugieren que los cálculos teóricos
están de acuerdo con las observaciones reales en \pm2,5 cm y que
los cálculos teóricos son útiles para estimar la distancia mínima
entre paletas.
Ejemplo
12
Para determinar el grado relativo de dispersión
de pasta en los espacios abiertos del reactor a diferentes
condiciones operativas, se realizaron los siguientes ensayos. Un
transportador de 432 mm, de paletas de tamaño estándar, de 240º,
paso un cuarto, orientadas a 45º, se hizo funcionar a diferentes rpm
con rotación en sentido contrario a las agujas del reloj. En cada
ensayo, el reactor tuvo el mismo nivel de llenado (aproximadamente
25%). Se montó una cámara en un extremo del eje y se tomaron
fotografías de imagen congelada, girando el eje a diferentes rpm,
cuando una de las paletas estaba en la posición 12 del reloj. Se
hizo un análisis de la imagen en una zona controlada de la porción
izquierda superior del reactor y se hicieron cálculos para
determinar cuánta pasta ocupaba esta zona, puesto que esto es
representativo de las propiedades dispersantes relativas de la
pasta del transportador cuando funciona a una velocidad particular
del cilindro. Los resultados se muestran en la siguiente tabla XI y
en las figuras 14-16.
\vskip1.000000\baselineskip
Esto ilustra las mayores capacidades
dispersantes del transportador de paletas cuando funciona a más rpm.
Como se ha explicado anteriormente, el nivel de llenado del reactor
se reduce cuando se usan más rpm del eje, pero estos datos ilustran
los beneficios de dispersión de pasta que se pueden conseguir a más
rpm con el mismo nivel de llenado.
Ejemplo
13
El transportador de paletas puede conseguir
resultados excelentes con un amplio intervalo de caudales de pasta.
Por ejemplo, se consiguieron conversiones de ozono de por lo menos
90% y niveles similares de incremento de la blancura con caudales
tanto de 18 como de 11 t/día de pasta OD. Con 11 t/día de pasta OD
se disminuyó la velocidad de rotación de las paletas para mantener
un nivel de llenado aproximadamente constante en el reactor, como
se muestra en la siguiente tabla XII.
Aunque es evidente que la invención aquí
descrita está bien calculada para cumplir los objetivos antes
especificados, los expertos en la materia apreciarán que se pueden
concebir numerosas modificaciones y realizaciones. Por ejemplo,
otros elementos transportadores, como aletas helicoidales cortadas y
dobladas, mezcladores de cinta, elementos elevadores acodados y
elementos de aletas cuneiformes, se muestran en las figuras
17-20.
Claims (14)
1. Un método para blanquear pasta que comprende
introducir pasta que tiene una consistencia elevada, superior al
20%, en una zona de reacción;
introducir en la zona de reacción un agente
blanqueante gaseoso que contiene ozono; y
avanzar la pasta a través de la zona de reacción
en una manera similar al flujo de pistón durante un tiempo
suficiente para obtener blanqueo de la pasta;
caracterizado porque la pasta está en
forma de partículas que tienen un tamaño suficiente para facilitar
una penetración sustancialmente completa por el agente blanqueante
gaseoso que contiene ozono cuando se exponen a éste; por el uso en
una carcasa de un transportador de paletas que comprende paletas de
tamaño menor que el estándar CEMA montadas en una configuración de
paletas sin solapamiento; las partículas de pasta se elevan,
desplazan y agitan en una dirección radial cuando pasan a través de
la zona de reacción para dispersar las partículas de pasta en el
agente blanqueante que contiene ozono y exponer sustancialmente
todas las superficies de una mayoría de las partículas de pasta al
agente blanqueante gaseoso que contiene ozono; mientras las
partículas dispersadas de pasta se hacen avanzar a través de la
zona de reacción a un índice de dispersión DI inferior a 8 durante
un tiempo de permanencia de pasta predeterminado suficiente para
mantener un nivel de llenado de por lo menos el 10% de dichas
partículas dispersadas en dicha carcasa para formar una pasta
blanqueada de modo sustancialmente uniforme que tiene una blancura
GE incrementada, en el que dicho índice de dispersión DI es 100
veces el cociente de una varianza \sigma^{2} de la distribución
de tiempo de permanencia dividida por el cuadrado de un tiempo de
permanencia promedio t_{med}, DI =
100\cdot\sigma^{2}/t_{med}^{2}.
2. El método de acuerdo con la reivindicación 1,
que comprende además reducir el movimiento axial y maximizar el
movimiento radial de las partículas de pasta para maximizar el
mezclado y contacto de las partículas de pasta y el agente
blanqueante gaseoso que contiene ozono mientras las partículas de
pasta se elevan, desplazan y agitan.
3. El método de acuerdo con la reivindicación 1,
en el que el agente blanqueante gaseoso que contiene ozono se
introduce en contracorriente al movimiento de las partículas de
pasta.
4. El método de acuerdo con la reivindicación 1,
que comprende además desintegrar la pasta de alta consistencia para
disminuir la densidad aparente de las partículas antes de la
introducción de las partículas en la zona de reacción.
5. El método de acuerdo con la reivindicación 4,
que comprende además avanzar las partículas de pasta a una primera
velocidad a través de la zona de reacción inmediatamente después de
la introducción de las partículas y avanzar posteriormente las
partículas de pasta a una segunda velocidad en la zona de reacción
para mantener un nivel predeterminado de llenado de pasta en
aquélla.
6. El método de acuerdo con la reivindicación 5,
en el que la primera velocidad de avance de las partículas de pasta
es mayor que la segunda velocidad y el agente blanqueante gaseoso
contiene entre 1 y 8 por ciento en peso de ozono.
7. Uso de un aparato reactor (14) que
comprende:
una carcasa (14) que tiene una entrada (34) de
pasta y una salida (46) de pasta;
medios (12) para introducir pasta de alta
consistencia (16) en la carcasa (14);
medios (18) para introducir en la carcasa (14)
un flujo de un agente blanqueante gaseoso que contiene ozono; y
medios (22) para avanzar la pasta (16) a través
de la carcasa (14) en una manera de flujo de pistón; dichos medios
de avance (22) del aparato incluyen medios dispersantes para elevar,
desplazar y agitar la pasta (16) en una dirección radial cuando
pasa a través de la carcasa (14) para dispersar la pasta en el
agente blanqueante gaseoso que contiene ozono para exponer
sustancialmente todas las superficies de una mayoría de la pasta al
agente blanqueante gaseoso que contiene ozono y para avanzar la
pasta dispersa a través de la carcasa en una manera de flujo de
pistón y a un índice de dispersión DI inferior a 8 durante un tiempo
de permanencia de pasta predeterminado suficiente para mantener un
nivel de llenado del 10% al 50% de dichas partículas dispersadas en
dicha carcasa para formar una pasta blanqueada de modo
sustancialmente uniforme que tiene una blancura GE incrementada, en
el que dicho índice de dispersión DI es 100 veces el cociente de una
varianza \sigma^{2} de la distribución de tiempo de permanencia
dividida por el cuadrado de un tiempo de permanencia promedio
t_{med}, DI = 100\cdot\sigma^{2}/t_{med}^{2};
para blanquear con ozono pasta de alta
consistencia que tiene una consistencia superior al 20%, un tamaño
de partículas suficiente para facilitar una penetración
sustancialmente completa por el agente blanqueante gaseoso que
contiene ozono cuando se exponen a éste, para formar una pasta
blanqueada de modo sustancialmente uniforme que tiene una blancura
GE incrementada;
en el que los medios para avanzar y dispersar la
pasta comprenden un transportador de paletas que comprende paletas
de tamaño menor que el estándar CEMA montadas en una configuración
de paletas sin solapamiento.
8. Un aparato reactor (14) para blanquear pasta
de alta consistencia con ozono, para blanquear con ozono partículas
de pasta de alta consistencia que tienen una consistencia superior
al 20%, una primera blancura GE, y un tamaño de partículas
suficiente para facilitar una penetración sustancialmente completa
de una mayoría de las partículas de pasta por el ozono cuando se
exponen al mismo, hasta una segunda blancura GE superior,
comprendiendo dicho aparato:
una carcasa (14) que tiene una entrada (34) de
pasta y una salida (46) de pasta;
medios (12) para introducir pasta (16) de alta
consistencia en la carcasa (14);
medios (18) para introducir en la carcasa (14)
un flujo de un agente blanqueante gaseoso que contiene ozono;
un cilindro (20) que se extiende a través de la
carcasa (14) a lo largo de un eje longitudinal de la misma y que
tiene un primer extremo adyacente a la entrada (34) de pasta y un
segundo extremo adyacente a la salida (46) de pasta;
medios (22) de avance y dispersión asociados con
el cilindro para avanzar la pasta (16) a través de la carcasa (14)
en una manera de flujo de pistón;
medios (28) para recuperar agente blanqueante
gaseoso residual y medios (30) para recuperar la pasta blanqueada;
y caracterizado porque los medios (22) de avance y dispersión
son un transportador de paletas que incluye una pluralidad de
paletas (22A, 22B, 22C) de un tamaño inferior al estándar CEMA
montadas en una configuración de paletas sin solapamiento, y
situadas y orientadas en una distribución predeterminada que define
un paso de los medios de avance y dispersión para elevar, desplazar
y agitar las partículas de pasta (16) en una dirección radial
cuando pasan a través de la carcasa (14) para dispersar las
partículas de pasta (16) en el agente blanqueante gaseoso que
contiene ozono para exponer sustancialmente todas las superficies de
una mayoría de la pasta al agente blanqueante gaseoso que contiene
ozono mientras avanza la pasta dispersada a través de la carcasa en
una manera de flujo de pistón a un índice de dispersión DI inferior
a 8 durante un tiempo de permanencia de pasta predeterminado
suficiente para mantener un nivel de llenado del 10% al 50% de
dichas partículas dispersadas en dicha carcasa para formar una
pasta blanqueada de modo sustancialmente uniforme que tiene la
segunda blancura GE, en el que dicho índice de dispersión DI es 100
veces el cociente de una varianza \sigma^{2} de la distribución
de tiempo de permanencia dividida por el cuadrado de un tiempo de
permanencia promedio t_{med}, DI =
100\cdot\sigma^{2}/t_{med}^{2};
9. El aparato de la reivindicación 8, en el que
el paso de las paletas en el primer extremo del cilindro es mayor
que el paso de las paletas en el segundo extremo del cilindro para
proporcionar una velocidad de transporte incrementada cuando entran
las partículas de pasta, con lo que se proporcionan medios para
proporcionar un nivel predeterminado de llenado de partículas de
pasta en la carcasa.
10. El aparato de acuerdo con la reivindicación
8, en el que las paletas están distanciadas axialmente a lo largo
del cilindro a una distancia suficiente para minimizar o evitar
apelotonamiento o taponamiento de las partículas de pasta entre
sí.
11. El aparato de acuerdo con la reivindicación
8, en el que los medios para recuperar la pasta blanqueada son un
depósito de dilución y en el que se añade agua al depósito de
dilución para rebajar la consistencia de la pasta blanqueada y
servir como cierre estanco del gas ozono.
12. El aparato de acuerdo con la reivindicación
8, que comprende además medios para desintegrar las partículas de
pasta asociadas operativamente con los medios para introducir las
partículas de pasta en la carcasa.
13. El aparato de acuerdo con la reivindicación
8, en el que los medios de introducción del agente blanqueante
gaseoso incluyen medios para introducir el agente blanqueante
gaseoso en dirección en contracorriente al movimiento de las
partículas de pasta.
14. El aparato de acuerdo con la reivindicación
8, en el que las paletas están situadas aproximadamente a una
distancia de 240º, en una distribución helicoidal de paso un cuarto,
en por lo menos una parte del cilindro.
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