Articulo de referencia

Proceso Kraft

Una fábrica de papel kraft en The Pas, Manitoba. Virutas de madera para la producción de papel El proceso de pulpeo kraft , o simplemente proceso kraft o de sulfato (ortografía:...

Una fábrica de papel kraft en The Pas, Manitoba.
Virutas de madera para la producción de papel

El proceso de pulpeo kraft , o simplemente proceso kraft o de sulfato (ortografía: sulfato en el Reino Unido y en la literatura antigua), es un proceso industrial preeminente para la conversión de madera en pulpa de madera , [ 1 ] un producto que consiste en fibras de celulosa casi puras , el componente principal del papel . El nombre del proceso deriva de la palabra sueca y alemana Kraft , que significa "fuerza" en este contexto, debido a la resistencia característica del papel kraft producido mediante este proceso. [ 1 ] [ 2 ]

El proceso kraft implica el tratamiento de astillas de madera con un " licor blanco " caliente —una mezcla que incluye hidróxido de sodio y sulfuro de sodio disueltos en agua— que rompe los enlaces químicos que unen los heteropolímeros ramificados de la madera, lignina y hemicelulosa , y la celulosa homopolimérica . El proceso comprende varias etapas, tanto químicas como mecánicas , y es el proceso predominante a nivel mundial y en los EE. UU. para producir la pulpa de madera utilizada en la fabricación de papel. [ 3 ] En algunos lugares, la fabricación mediante este proceso ha sido controvertida porque las plantas kraft liberan compuestos volátiles olorosos y producen y almacenan importantes intermediarios químicos líquidos y residuos . [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]

Descripción general del proceso

El proceso Kraft de pulpa es un proceso de producción de pulpa de madera utilizado en la fabricación de papel que es apto para todas las especies de madera y que produce pulpas marrones de alta resistencia (a menos que se blanqueen). [ 3 ] : p.59 El proceso es altamente alcalino (pH 13-14), consecuencia del uso de una combinación de hidróxido de sodio (NaOH) y sulfuro de sodio (Na 2 S), en una proporción general de 15-25% en peso "sobre la madera" (ver a continuación). [ 3 ] : p.59 El proceso se lleva a cabo en un recipiente de reacción industrial sin revestimiento, el digestor, y está asociado con una "alta recuperación de productos químicos de pulpa", pero también con olores sulfurosos. [ 3 ] : p.59 El proceso se utiliza, sin blanquear, para producir papel para bolsas, envolturas y cartón liner, y blanqueado para varios tipos de productos de papel blanco. [ 3 ] : p.59 Los rendimientos del proceso son más modestos que los de los métodos de pulpado mecánico y químico-mecánico, pero alcanzan el orden del 65-70% para papel sin blanquear (más cerca del 50% cuando la pulpa se destina al blanqueo), y después del blanqueo, los rendimientos generales pueden ser del orden del 45% o menos. [ 3 ] : p.59

Historia

Un rollo de papel kraft

La denominación de este proceso se remonta a la primera producción de "papel kraft" en Jõnköping, Suecia, en la fábrica Munksjõ, y a la fabricación de su pulpa según un proceso patentado por C.F. Dahl , de Danzig , en 1885. [ 1 ] [ 7 ] (A veces se fecha en 1890 en lugar de 1885; la ubicación sueca de la fabricación se ha atribuido a que la industria papelera alemana no aceptó el nuevo proceso. [ 3 ] : p.86 )

Dahl había estado experimentando con la sustitución del sulfato de sodio ("sulfato"), suministrado a partir de "torta de sal", por carbonato de sodio (suministrado a partir de ceniza de sosa ), como reemplazo del " álcali perdido en la cocción" para producir pulpa de paja , reduciéndose el sulfato al sulfuro correspondiente ("sulfuro"), "en el horno de recuperación". [ 1 ] [ 3 ] : p.86 Había comenzado a experimentar con este proceso de sustitución en 1879, siguiendo patentes estadounidenses de otros, de 1870-1871 (ver más adelante), al principio con resultados insatisfactorios, pero con un éxito eventual mayor y la extensión del proceso para incluir maderas coníferas. [ 1 ] Se informó que la exitosa producción de la fábrica fue el resultado de una respuesta perspicaz del gerente de la fábrica de Munksjõ ante un error del operador: una ejecución del digestor de sulfato se había terminado ("soplado") prematuramente. Su respuesta consistió en procesar, en lugar de desechar, las astillas que se consideraban incompletamente digeridas, para descubrir que la pulpa resultante producía un papel "de color oscuro [que] era mucho más resistente que cualquier papel conocido hasta entonces". [ 1 ] Su resistencia llevó a que la palabra sueco-alemana para esa característica, kraft , se aplicara al proceso (y así la adición de sulfato/sulfuro al proceso alcalino anterior pasó a conocerse como el proceso kraft o de sulfato/sulfato). [ 1 ]

La mezcla generada de hidróxido de sodio y sulfuro para hacer pulpa de madera, con el sulfuro "acelerando la deslignificación ", llevó a exposiciones más cortas de las astillas al álcali caliente (en relación con el proceso de soda anterior ), y la mayor resistencia observada de la pulpa kraft sobre la pulpa de soda (y menor degradación de carbohidratos) se atribuye a esta exposición reducida al álcali. [ 1 ] [ 3 ] : p.86 El reconocimiento de Dahl como descubridor se complica por la existencia de dos patentes anteriores sobre el uso de sulfuro en la pulpa de madera de AK Eaton , en agosto de 1870 y septiembre de 1871, más de una década antes de la patente de Dahl. [ 1 ] Además, en la literatura sobre manufactura primaria y secundaria en Inglaterra, entre las décadas de 1940 y 1960, se discute que la adición de "azufre y sulfuros" a los procedimientos para la pulpa de paja con álcalis se remonta a "experimentos en Inglaterra durante las Guerras Napoleónicas (es decir, 1805-1814)". [ 1 ] Aun así, a Dahl se le atribuye, en particular, el establecimiento del proceso de recuperación de los productos químicos utilizados en el proceso kraft, que al menos un estudioso considera "quizás más importante que el propio proceso de cocción kraft". [ 3 ] : p.86

El uso cada vez mayor del proceso en los Estados Unidos, especialmente en los estados del sur donde la producción de pulpa a partir de astillas de "especies de pino resinosas" no se adaptaba bien al proceso de sulfito anterior (en particular, el uso de una base de calcio ), se destacó en el período de 1915 a 1930. [ 3 ] : p.86 La invención de la caldera de recuperación por GH Tomlinson a principios de la década de 1930 fue otro hito en el desarrollo y la expansión del uso del proceso kraft. [ 8 ] Permitió la recuperación y reutilización de los productos químicos inorgánicos de la pulpa, de modo que una fábrica kraft es un proceso de ciclo casi cerrado con respecto a los productos químicos inorgánicos, aparte de los utilizados en el proceso de blanqueo. Por esta razón, en 1993, el proceso kraft se describía como "el proceso dominante" para la producción de pulpa de madera. [ 3 ] : p.86(El proceso Kraft sustituyó al proceso de sulfito como proceso dominante en la década de 1940 ) .

Proceso detallado

Impregnación

Las astillas de madera comunes utilizadas en la producción de pulpa tienen entre 12 y 25 milímetros (0,47 y 0,98 pulgadas) de largo y entre 2 y 10 milímetros (0,079 y 0,394 pulgadas) de espesor. Las astillas se humedecen y precalientan con vapor . Las cavidades dentro de las astillas de madera frescas se llenan parcialmente con líquido y parcialmente con aire. El tratamiento con vapor hace que el aire se expanda y que aproximadamente el 25 % del aire se expulse de las astillas. El siguiente paso es saturar las astillas con licor negro y blanco . El aire que queda en las astillas al comienzo de la impregnación con licor queda atrapado dentro de ellas. La impregnación puede realizarse antes o después de que las astillas entren en el digestor y normalmente se realiza por debajo de 100 °C (212 °F) . Durante la impregnación, los licores de cocción penetran en la estructura capilar de las astillas y comienzan las reacciones químicas a baja temperatura con la madera. Una buena impregnación es importante para obtener una cocción homogénea y un bajo porcentaje de rechazos. En el proceso continuo, entre el 40% y el 60% del consumo total de álcali se produce en la zona de impregnación.    

Cocinando

Las astillas de madera se cocinan posteriormente en digestores a presión. Algunos digestores funcionan por lotes y otros de forma continua.

Según el trabajo de McLeod en 1992, informado por la EPA en 1993,La capacidad media de las "instalaciones de cocción extendida", a nivel mundial, era >1100 toneladas por día, y la instalación más grande tabulada, el Union Camp lanzado en 1992 en Savannah, Georgia , producía 2450 toneladas por día. [ 9 ] Típicamente, las condiciones para la etapa de deslignificación que implica este tratamiento de licor blanco cáustico que tiene lugar en el gran recipiente a presión denominado digestor incluyen calentamiento a 170 °C, durante un período de tiempo que depende del "grado de deslignificación deseado" (quizás del orden de dos horas). [ 10 ] Una de las principales reacciones químicas que sustentan el proceso kraft es la escisión de los enlaces éter por los iones sulfuro (S 2− ) o bisulfuro (HS − ) nucleofílicos . [ 8 ]

A 170-176 °C (338-349 °F) , bajo estas condiciones de cocción en licor blanco, la lignina y la hemicelulosa se degradan, dando lugar a fragmentos solubles en el líquido fuertemente alcalino. La pulpa sólida —aproximadamente el 50 % del peso de las astillas de madera secas— se recoge y se lava. En este punto, la pulpa se conoce como «caldo marrón» y los líquidos combinados como « licor negro », ambos debido a sus colores. La mezcla contiene fragmentos de lignina, carbohidratos procedentes de la descomposición de la hemicelulosa, carbonato de sodio , sulfato de sodio y otras sales inorgánicas.  

Proceso de recuperación

El exceso de licor negro contiene aproximadamente un 15 % de sólidos y se concentra en un evaporador de múltiple efecto . Tras la primera etapa, el licor negro tiene entre un 20 % y un 30 % de sólidos. A esta concentración, el jabón de colofonia sube a la superficie y se retira . El jabón recogido se procesa posteriormente para obtener aceite de tall . La eliminación del jabón mejora el proceso de evaporación de los efectos posteriores.

El licor negro diluido se evapora aún más hasta alcanzar un 65 % o incluso un 80 % de sólidos ("licor negro denso" [ 11 ] ) y se quema en la caldera de recuperación para recuperar los productos químicos inorgánicos y reutilizarlos en el proceso de pulpado. Un mayor contenido de sólidos en el licor negro concentrado aumenta la eficiencia energética y química del ciclo de recuperación, pero también produce una mayor viscosidad y precipitación de sólidos (obstrucción y ensuciamiento de los equipos). [ 12 ] [ 13 ] Durante la combustión, el sulfato de sodio se reduce a sulfuro de sodio por el carbono orgánico de la mezcla:

1. Na 2 SO 4 + 2 C → Na 2 S + 2 CO 2

Esta reacción es similar a la reducción termoquímica de sulfato en geoquímica.

Las sales fundidas ("fundición") de la caldera de recuperación se disuelven en un agua de proceso conocida como "lavado débil". Esta agua de proceso, también conocida como "licor blanco débil", se compone de todos los licores utilizados para lavar el lodo de cal y los precipitados de licor verde . La solución resultante de carbonato de sodio y sulfuro de sodio se conoce como "licor verde", debido a su color verde epónimo por la presencia de sulfuro de hierro coloidal. [ 14 ] Este líquido se mezcla luego con óxido de calcio , que se convierte en hidróxido de calcio en solución, para regenerar el licor blanco utilizado en el proceso de pulpado a través de una reacción de equilibrio; se muestra Na₂S , ya que es parte del licor verde (pero no participa en la reacción):

2. Na 2 CO 3 + Ca(OH) 2 ← → 2 NaOH + CaCO 3

El carbonato de calcio precipita del licor blanco, se recupera y se calienta en un horno de cal donde se convierte en óxido de calcio (cal).

3. CaCO₃ CaO + CO₂

El óxido de calcio (cal) reacciona con agua para regenerar el hidróxido de calcio utilizado en la Reacción 2:

4. CaO + H₂O Ca(OH)

La combinación de las reacciones 1 a 4 forma un ciclo cerrado con respecto al sodio, el azufre y el calcio, y es el concepto principal del llamado proceso de recaustificación, donde el carbonato de sodio reacciona para regenerar el hidróxido de sodio .

La caldera de recuperación también genera vapor a alta presión que se alimenta a turbogeneradores, reduciendo la presión del vapor para el uso de la fábrica y generando electricidad .

Una moderna fábrica de pulpa kraft es más que autosuficiente en su generación de electricidad y normalmente proporciona un flujo neto de energía que puede ser utilizado por una fábrica de papel asociada o vendido a industrias o comunidades vecinas a través de la red eléctrica local. [ 15 ] Además, los residuos de corteza y madera a menudo se queman en una caldera de energía separada para generar vapor.

Aunque las calderas de recuperación que utilizan la invención de GH Tomlinson se han utilizado de forma generalizada desde principios de la década de 1930, se han realizado intentos para encontrar un proceso más eficiente para la recuperación de los productos químicos de cocción. Weyerhaeuser ha operado con éxito un gasificador de flujo arrastrado de licor negro de primera generación de Chemrec en su planta de New Bern , Carolina del Norte , mientras que una planta de segunda generación está funcionando a escala piloto en la planta de Smurfit Kappa en Piteå , Suecia . [ 16 ]

Se emplea una tecnología adicional para reducir el uso de cal. En la "autocaustificación parcial con borato" (PBAC), se añade ácido bórico, que produce borato de sodio en lugar de carbonato de sodio. [ 17 ]

Soplo

Las astillas de madera cocidas terminadas se transportan a un tanque de recolección llamado tanque de soplado, que funciona a presión atmosférica. Esto libera gran cantidad de vapor y volátiles. Los volátiles se condensan y se recolectan; en el caso de las maderas blandas del norte , esto consiste principalmente en trementina cruda .

Cribado

El cribado de la pulpa después del proceso de despulpado es un proceso mediante el cual la pulpa (llamada material aceptable ) se separa de las virutas grandes , los nudos , la suciedad y otros residuos (llamados material rechazado ).

La sección de cribado consta de diferentes tipos de tamices y limpieza centrífuga. Los tamices suelen estar dispuestos en una cascada de varias etapas, ya que una cantidad considerable de fibras de buena calidad puede ir a parar al flujo de rechazo al intentar lograr la máxima pureza en el flujo de aceptación.

La fibra que contiene fragmentos y nudos se separa del resto del material de desecho y se reprocesa en una refinadora o se devuelve al digestor. El contenido de nudos suele ser del 0,5 al 3,0 % de la producción del digestor, mientras que el de fragmentos es de aproximadamente el 0,1 al 1,0 %.

Lavado

La pulpa cruda proveniente del soplado pasa a las etapas de lavado, donde los licores de cocción usados ​​se separan de las fibras de celulosa. Normalmente, una fábrica de pulpa tiene de 3 a 5 etapas de lavado en serie. Las etapas de lavado también se ubican después de la deslignificación con oxígeno y entre las etapas de blanqueo. Las lavadoras de pulpa utilizan flujo a contracorriente entre las etapas, de modo que la pulpa se mueve en dirección opuesta al flujo del agua de lavado. Se involucran varios procesos: espesamiento / dilución , desplazamiento y difusión . El factor de dilución es la medida de la cantidad de agua utilizada en el lavado en comparación con la cantidad teórica requerida para desplazar el licor de la pulpa espesada. Un factor de dilución menor reduce el consumo de energía, mientras que un factor de dilución mayor generalmente produce una pulpa más limpia. El lavado completo de la pulpa reduce la demanda química de oxígeno ( DQO ).

Se utilizan varios tipos de equipos de lavado, entre ellos difusores a presión y atmosféricos; lavadoras de tambor al vacío; desplazadores de tambor; y prensas de lavado.

Blanqueamiento

En una fábrica moderna, la pulpa cruda (fibras de celulosa que contienen aproximadamente un 5 % de lignina residual) producida por el proceso de pulpado se lava primero para eliminar parte del material orgánico disuelto y luego se deslignifica aún más mediante diversas etapas de blanqueo . [ 18 ]

En el caso de una planta destinada a la producción de pulpa para fabricar papel marrón para sacos o cartón para cajas y embalajes, no siempre es necesario blanquear la pulpa hasta alcanzar un alto grado de blancura. El blanqueo reduce la masa de pulpa producida en aproximadamente un 5 %, disminuye la resistencia de las fibras y aumenta el costo de fabricación.

Productos químicos de proceso

Se añaden productos químicos al proceso para mejorar el proceso de producción:

Comparación con otros procesos de fabricación de pulpa

La pulpa producida mediante el proceso kraft es más resistente que la obtenida con otros procesos de fabricación de pulpa , ya que mantiene una alta proporción efectiva de azufre (sulficidad), un factor determinante de la resistencia del papel. Los procesos ácidos con sulfito degradan la celulosa más que el proceso kraft, lo que da como resultado fibras más débiles.

Además, el proceso Kraft elimina la mayor parte de la lignina presente originalmente en la madera, mientras que los procesos de pulpeo mecánico dejan la mayor parte de la lignina en las fibras. La lignina es hidrofóbica por naturaleza, [ 21 ] y esa hidrofobicidad interfiere con la formación de los enlaces de hidrógeno entre la celulosa (y la hemicelulosa) en las fibras, lo cual es necesario para la resistencia del papel. [ 3 ] (La resistencia se refiere a la resistencia a la tracción y a la resistencia al desgarro ).

La pulpa Kraft es más oscura que otras pulpas de madera, pero se puede blanquear para obtener una pulpa muy blanca. La pulpa Kraft totalmente blanqueada se utiliza para fabricar papel de alta calidad donde la resistencia, la blancura y la resistencia al amarilleamiento son importantes. El alto contenido de celulosa y el bajo contenido de lignina de la pulpa Kraft la hacen adecuada para papel de impresión y escritura. [ 22 ] En cambio, la pulpa mecánica se produce moliendo madera sin eliminar la lignina. [ 23 ] La lignina que se conserva en la pulpa mecánica proporciona la opacidad y el volumen necesarios para el papel de periódico, pero resulta en una menor resistencia a la tracción y limita el uso de la pulpa en aplicaciones de mayor calidad. [ 24 ]

El proceso kraft puede utilizar una gama más amplia de fuentes de fibra que la mayoría de los demás procesos de pulpado. Todo tipo de madera, incluyendo tipos muy resinosos como el pino del sur , [ 25 ] y especies no leñosas como el bambú y el kenaf pueden utilizarse en el proceso kraft.

Subproductos y emisiones

Refinería de aceite de tall de Forchem en Rauma , Finlandia

Los principales subproductos del proceso de pulpeo kraft son la trementina de sulfato cruda y el jabón de aceite de tall . Su disponibilidad depende en gran medida de la especie de madera, las condiciones de crecimiento, el tiempo de almacenamiento de los troncos y las astillas, y el proceso de la fábrica. [ 26 ] Los pinos son las maderas más ricas en extractivos. La trementina cruda es volátil y se destila en el digestor, mientras que el jabón crudo se separa del licor negro usado por decantación de la capa de jabón formada en la parte superior de los tanques de almacenamiento de licor. A partir de los pinos, el rendimiento promedio de trementina es de 5 a 10  kg/t de pulpa y el de aceite de tall crudo es de 30 a 50  kg/t de pulpa. [ 26 ]

Diversos subproductos que contienen sulfuro de hidrógeno , metilmercaptano , dimetilsulfuro , disulfuro de dimetilo y otros compuestos volátiles de azufre son la causa de las emisiones de aire malolientes características de las fábricas de pulpa que utilizan el proceso kraft. [ 27 ] [ 28 ]

Las emisiones de dióxido de azufre de las fábricas de pulpa kraft son mucho menores que las de las fábricas de sulfito. En el aire ambiente exterior a una fábrica de pulpa kraft moderna típica, el olor a dióxido de azufre solo se percibe en situaciones de emergencia, por ejemplo, cuando la fábrica se detiene para mantenimiento o durante un corte de energía prolongado. El control de los olores se logra mediante la recolección y combustión de estos gases olorosos en la caldera de recuperación junto con el licor negro. En las fábricas modernas, donde los sólidos bien secos se queman en la caldera de recuperación, apenas se emite dióxido de azufre . A altas temperaturas de la caldera, el sodio liberado de las gotas de licor negro reacciona con el dióxido de azufre, eliminándolo eficazmente mediante la formación de cristales inodoros de sulfato de sodio .

Las fábricas de celulosa casi siempre se ubican cerca de grandes masas de agua debido a su considerable demanda de agua. La deslignificación de las pulpas químicas libera cantidades considerables de materia orgánica al medio ambiente, especialmente a ríos y lagos. El efluente de aguas residuales también puede ser una importante fuente de contaminación, ya que contiene ligninas de los árboles, una alta demanda biológica de oxígeno (DBO) y carbono orgánico disuelto (COD), además de alcoholes , cloratos , metales pesados ​​y agentes quelantes . Los efluentes del proceso pueden tratarse en una planta de tratamiento biológico de efluentes , lo que puede reducir sustancialmente su toxicidad. [ 4 ] [ 6 ] [ 5 ]

Véase también

Lecturas adicionales

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  • Gustafsson, J; Alén, R; Engstrom, J; Korpinen, R; Kuusisto, P; Leavitt, A; Olsson, K; Piira, J; Samuelsson, A y Sundquist, J (2011). "Despulpado". En Fardim, Pedro (ed.). Libro 6, Despulpado químico. Parte 1, Química y tecnología de fibras (2ª  ed.). Espoo Finlandia, Peachtree Corners, GA: Paperi ja Puu Oy-FFPEA. págs. 187-381 . ISBN  9789525216417Consultado el 22 de junio de 2026 .{{cite book}}: CS1 maint: nombres múltiples: lista de autores ( enlace ) FFPEA abrevia la traducción al inglés del finlandés Puunjalostus-Insinöörit como Asociación Finlandesa de Ingenieros de Productos Forestales.
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  • Clayton, DW y JTCPI (1969). "La química del proceso de pulpeo alcalino". En Macdonald, RG y Frankin, JN (eds.). Fabricación de pulpa y papel: El proceso de pulpeo de la madera . Vol.  1 (2.ª  ed.). Columbus, OH: McGraw Hill - Comité Conjunto de Libros de Texto de la Industria Papelera (JTCPI). págs. 347–438 . OCLC 867778880. Consultado el 27 de junio de 2026 .  {{cite book}}: CS1 mantenimiento: varios nombres: lista de editores ( enlace )

Referencias

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  2. Tanto la ortografía en mayúsculas como en minúsculas ("Kraft process" y "kraft process") aparecen en la literatura, pero "kraft" es la más utilizada en la industria de la pulpa y el papel .
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  • Pulp and Paper Circle proporciona información relacionada con la industria (especialmente sobre fábricas de papel kraft) a ingenieros y tecnólogos de la industria de la pulpa y el papel.
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