Cilindro Yankee

Fig.1 - Cilindro Yankee. → Caracteristicas: - Cilindro de ferro fundido ou aço; - 6m de diâmetro; - 7.75m de comprimento; - Peso cerca de 180 toneladas. → Condições de Operação: - Pressão de vapor: 1.1MPa ≈ 11bar ≈ 11atm -Caudal do vapor: 1900 m.min^-1

O que é?

   É um permutador de calor cilíndrico, com circulação de vapor, cujo objetivo é obter papel tissue com nível reduzido de humidade. A folha, após passagem pelo permutador, aumenta a sua secura de 45 até cerca de 90%. Este equipamento é de grandes dimensões e opera a velocidade, temperatura e pressão elevadas, pelo que as medidas de segurança devem ser rigorosamente cumpridas. A energia associada à transferência de calor que ocorre na superfície do cilindro, de modo a promover a secagem, é a entalpia de mudança de fase devido à condensação de vapor no interior do Yankee.

O que o torna tão especial?

   O Yankee tem características únicas que o torna especial para a secagem específica do papel tissue. Este papel quando comparado com os outros tipos, na fase de secagem, apresenta menor densidade e maior teor de humidade. Devido a ser um papel mais frágil, é também mais propício a problemas de “runnabilidade”. Consequentemente, de modo a evitar a transição entre cilindros de secagem que pode provocar más formações na folha, usa-se apenas um cilindro. Devido a ser singular, a área de transferência do Yankee terá necessariamente de ser maior, daí o tamanho ser superior aos cilindros tradicionais. Acoplado existe um sistema de circulação de ar quente forçado, que contribui para uma remoção de água mais eficiente. Na parte final do processo utiliza-se uma lâmina vibratória (Figura 2) com o objetivo de remover o papel da superfície do cilindro.

Como funciona?

Fig.2 - Esquema do Sistema Yankee.

   Podemos dividir o processo de funcionamento em 3 fases: preparação do papel, secagem e por fim obtenção do papel tissue.

   Numa primeira fase a folha de papel chega ao Yankee e é submetida pressão elevada exercida através de uma prensa e o próprio Yankee de forma a promover um bom contacto da folha com a superfície. Este passo é importante porque um bom contacto significa boa transferência de calor, logo maior remoção de água. Existe um pulverizador no fundo do cilindro que espalha produtos químicos para a sua superfície ajudando não só a aumentar o contacto mas também servindo de camada protetora ao equipamento.

Fig.3 - Perfil transversal do cilindro.

Fig.4 - Remoção de condensado entre sulcos.

   No interior do cilindro, como já foi referido, circula vapor que condensa (Figura 3), sendo a entalpia associada à mudança de fase utilizada para a secagem do papel. O vapor é introduzido no centro do cilindro (r=0), a alta pressão e tende a direcionar-se para a superfície interna do mesmo. Visto que nas extremidades (r=R) as paredes estão mais frias e o vapor com pressão inferior, este condensa e é acumulado em sulcos (Figura 4), na parede interior do cilindro. O condensado é removido através do seguinte sistema de tubagem: tubos finos no interior dos sulcos, que por se encontrarem a pressão inferior ao interior do cilindro direcionam o condensado e algum vapor ao tubo coletor localizado no centro do cilindro (r=0), conectado com o exterior. Após a evaporação, o papel “seco”, devido à pressão, à transferência de calor e aos químicos aplicados no Yankee, encontra-se agarrado ao cilindro. É neste momento que surge a terceira fase. Esta consiste em utilizarmos uma lâmina junto ao cilindro que retira o papel e uma pequena parte da camada de químicos. A lâmina é cuidadosamente projetada para que em nenhuma altura contacte com o cilindro, aumentando assim a durabilidade de ambos. Esta funciona com um mecanismo de vibração que confere a textura do papel tissue, criando microdobras (figura 2) que conferem uma textura mais ou menos suave.

Como acontece a Transferência de Calor?

   A secagem Yankee engloba dois tipos de sistemas: transferência de calor através do cilindro e transferência de calor e massa através de correntes de ar forçado. A contribuição de cada um destes sistemas para a remoção total de água do papel tissue é de 40% e 60%, respetivamente.

   De modo a estudar o calor transferido entre o interior do cilindro e a superfície do papel, devem ser tidos em conta mecanismos de convecção e condução nos vários locais do sistema. De forma simplista, vamos considerar as seguintes equações, em estado estacionário:

$\newcommand{\Re}{\mathrm{Re}\,} \newcommand{\pFq}[5]{{}_{#1}\mathrm{F}_{#2} \left( \genfrac{}{}{0pt}{}{#3}{#4} \bigg| {#5} \right)}$

Falhou a verificação gramatical (MathML, com SVG ou PNG em alternativa (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \begin{align} \dot{Q}_{vap} & = \dot{m}_{água} \times \Delta h_{água} \label{eq:1}\\ \dot{Q}_{cc} & = k_{aço} \times \frac{A_s}{\varepsilon_1} \times (T_{s cilindro} - T_{papel}) \\ \dot{Q}_{csm} & = k_{lcn} \times \frac{A_s}{\varepsilon_2} \times (T_{s cilindro} - T_{papel}) \\ \dot{Q}_{csq} & = k_{pa} \times \frac{A_s}{\varepsilon_3} \times (T_{s cilindro} - T_{papel}) \end{align}}

Fig.5 - Esquema do sistema de ar quente forçado.

   O estado estacionário, neste sistema, só faz sentido se o condensado for removido ao mesmo ritmo que é produzido e, como tal, essa remoção é um passo importante e limitante da transferência de calor no cilindro Yankee. São ainda de considerar as resistências associadas à condução de calor através do material do cilindro, do revestimento metálico e químico, e de possíveis incrustações causadas pelo desgaste do material. As condutividade do ferro fundido/aço, do revestimento (liga de crómio níquel) e do revestimento de poliamida são respetivamente 52.9, 8-17 (dependendo das percentagens) e 0.23 K.(W.m)^-1. A resistência que poderá então ter mais efeito será a da camada de revestimento químico usada para agarrar o papel ao cilindro.

   O sistema de transferência simultânea de calor e massa é caraterizado por ventiladores que incidem ar quente forçado sobre a folha com velocidade controlada, e por exaustores que removem/recirculam o ar saturado, promovendo ao mesmo tempo a evaporação da água do papel e a remoção da humidade do ar. Este processo aumenta de forma muito significativa a eficiência do processo global de secagem.

Problemas típicos

• Transporte (peso e comprimento elevados);
• Segurança (pressões e temperaturas elevadas que podem causas explosões por surgimento de poeiras ou derramação de óleos quentes);
• Limpezas frequentes (paragem do processo);
• Remoção ineficiente do condensado;
• Degradação da carcaça e revestimento.

Simbologia

   Q̇_vap → Calor associado à mudança de fase, W

   Q̇_cc → Calor associado à condução na superfície do cilindro (aço), W

   Q̇_csm → Calor associado à condução na superfície metalizada (liga níquel-crómio), W

   Q̇_csq → Calor associado à condução na superfície química (poliamida), W

   ṁ_água → Caudal de formação/remoção de condensado, Kg.s^-1

   Δh_água → Entalpia de vaporização da água, J.Kg^-1

   k_aço → Condutividade térmica do aço, W.(m.K)^-1

   k_lcn → Condutividade térmica da liga níquel-crómio, W.(m.K)^-1

   k_pa → Condutividade térmica da poliamida, W.(m.K)^-1

   A_s → Área de transferência de calor, m²

   Ɛ_i → Espessura da camada i (i=1,2,3), m

   T_{s cilindro} → Temperatura superficial do cilindro, K

   T_papel → Temperatura da folha de papel, K

Autores

   Trabalho realizado por: Alessandro Almeida & Sandro Espírito Santo - Integração e Intensificação de Processos - Mestrado Integrado em Engenharia Química, Departamento de Engenharia Química da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra, 2016/2017.