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(Mai 2011)
 
Grenoble INP-Pagora, Ecole internationale du papier, de la communication imprimée et des biomatériaux
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Laboratoire Génie des Procédés Papetiers (LGP2)

II - Chimie des Procédés

II - 3 - Intensification et modélisation des procédés : création de nouveaux outils à l’usage des usines de pâtes

Créer des outils permettant aux usines de pâte d’optimiser leurs procédés, chimiquement et énergétiquement, est notre objectif. Deux grands modèles de simulation de procédés de fabrication de pâte ont été développés : modélisation de la cuisson kraft de bois en espèce unique ou en mélanges d’espèces, et blanchiment de la pâte kraft par la séquence complète multitstades ECF (Elemental Chlorine Free). Le partenariat industriel vise à valider sur sites les modèles. L’expérimentation au laboratoire est faite en parallèle pour accompagner le développement de modèles formels fondés pour partie sur des bases cinétiques et thermodynamiques, et pour partie sur une approche semi-empirique pour tenir compte de la variabilité du bois et des pâtes papetières.

Modélisation de la cuisson Kraft

Un simulateur de cuisson batch a été développé et perfectionné. Initialement conçu pour un monocopeau, il permettait de décrire le transfert couplé aux réactions chimiques en plusieurs phases (initiale, principale et résiduelle) dans la paroi d’un copeau assimilé à une plaquette. Les cinétiques obéissent à des lois de type premier ordre en réactions successives. Les limitations par transfert au sein des copeaux sont le fait de diffusivités d’alcali variables en fonction de la température et de l’avancement de la réaction. Le transfert dans la liqueur externe obéit aux lois de la convection. La cuisson est décrite comme étant un procédé batch à plusieurs paliers de température. La population de copeaux obéit à une loi de distribution en épaisseur et varie selon la nature du bois (cinétiques chimiques variables selon les espèces). Un travail de thèse a été consacré à l’analyse expérimentale des propriétés et des comportements de différentes espèces, cuites pures ou en mélanges, permettant d’alimenter les modèles créés.

Modélisation du blanchiment en séquence ECF

Un modèle mathématique complet a été créé par agencement des modèles cinétiques et stoechiométriques semi-empiriques décrivant chaque stade : D, E, EP, EO, EOP. Une large expérimentation, accompagnée d’une littérature abondante, a complété cette étude. L’originalité a été également d’apporter des prédictions environnementales en termes de DCO et DCO résistante, non modélisées auparavant.

Optimisation du préblanchiment par des mini-stades (DE)n

Le remplacement d’un stade unique de préblanchiment au dioxyde de chlore par une cascade de mini-stades (DE)n à charge divisée, avec lavage inter-stades partiel, permet une amélioration très significative de la stoechiométrie réactionnelle. Ceci s’explique par une diminution des réactions secondaires, le dioxyde de chlore réagissant plus sélectivement sur les groupements phénoliques libres de la lignine que sur les sous-produits de cette réaction. L’optimisation des stades a permis d’atteindre des gains en réactifs supérieurs à 30% au cours de la séquence globale.

Optimisation de la gestion de production de plusieurs types de pâtes

Les usines produisant différents types de pâtes en continu avec un même ensemble de réacteurs en série ont des difficultés à identifier les moments précis où des pâtes pures sont produites. En effet, il existe des zones transitoires ou "fronts de pâtes" pendant lesquels les pâtes sont mélangées. L’étude a montré que les caractéristiques morphologiques des fibres sont de bons indicateurs de pureté des pâtes, avec comme avantage la facilité d’installation de capteurs en ligne.

Figure 1 - Prédiction des effets de la présence de gradiants de température
dans un lessiveur Kraft sur la distribution d’indice kappa de la pâte.
Courbe bleue : température uniforme (170°C) –
courbe verte : gradiant en paroi -2.7°C –
courbe rouge : gradiant en paroi -4.5°C.
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