Diseño de proceso para producción de cubos de fibras de celulosa a partir de papel para reciclar en Perú

Abstract

En el presente trabajo se realizó el diseño de un proceso batch para la producción de cubos de fibras de celulosa de 40 cm de arista (19.84 kg) a escala industrial a partir de papel de alto grado desechado. Este proceso está compuesto de las siguientes etapas: trituración de papel, calentamiento de agua, preparación de la pulpa, prensado, secado del cubo a convección forzada y recuperación de agua residual para reutilizar en el proceso. Las condiciones de operación para cada etapa del proceso fueron determinadas a partir de los estudios experimentales. De esta manera se realizaron ensayos de preparación de la pulpa de celulosa y posteriormente ensayos a pequeña escala para evaluar la influencia de las variables: concentración del disolvente (ácido acético), temperatura de secado y longitud de arista del producto en las propiedades mecánicas como la compresión elástica (tensión y deformación en límite elástico) y en la cinética de secado (humedad crítica y tiempo de secado), ya que es la etapa más significativa en términos de tiempos y costos. Los mejores resultados (menor tiempo de secado, y mayor deformación y tensión en límite elástico) se observaron usando agua en la preparación de la pulpa, una relación de disolución de 0.08 g de papel triturado por 1 ml de agua, y una temperatura de 80°C en la etapa de secado a convección natural en estufa. En el proceso batch a escala industrial, se seleccionaron como operaciones centrales la etapa de preparación de la pulpa utilizando un agitador ancla, y el secado utilizando un secador de convectivo tipo túnel. También se realizó el balance de materia por lote o cubo; determinando así que, para producir una unidad de producto final, se debe procesar 19.97 kg de papel de alto grado y 0.14 m3 de agua potable. Basados en ello y en el modelado de los fenómenos de transferencia de calor, masa y cantidad de movimiento de los sistemas encontrados en cada etapa, se diseñaron y seleccionaron los equipos del proceso. Se proyectó una producción anual de 1872 unidades que equivale al 11% de la demanda actual del producto a reemplazar. De esta manera, se obtuvieron los tiempos de operación y consumo energético para cada etapa del proceso, concluyendo que anualmente el proceso consume 654.2 MWh de energía de combustión de gas natural y 73.4 MWh de energía eléctrica. Finalmente, a partir del análisis económico del proceso (CAPEX y OPEX de $157316 y $75792), se concluyó que, para obtener la viabilidad económica del proceso y cumplir con las expectativas del inversionista, el precio mínimo al cual se podría comercializar el producto es de $52, que es 4% superior al precio del producto a sustituir en el mercado peruano.

In the present work, the design of a batch process was carried out for the production of cubes of cellulose fibers with an edge of 40 cm (19.84 kg) on an industrial scale from discarded high-grade paper. This process is made up of the following stages: paper shredding, water heating, pulp preparation, pressing and forced convection drying of the cube. The operating conditions for each stage of the process were determined from the experimental studies. In this way, tests were carried out to prepare the cellulose pulp and later smallscale tests to evaluate the influence of the variables: concentration of the solvent (acetic acid), drying temperature and length of the product's edge on the mechanical properties such as the elastic compression (tension and deformation in elastic limit) and in the drying kinetics (critical humidity and drying time), since it is the most significant stage in terms of time and costs. The best results (shorter drying time, and higher deformation and yield stress) were observed using water in the preparation of the pulp, a dissolution ratio of 0.08 g of shredded paper per 1 ml of water, and a temperature of 80 °C in the natural convection drying stage in an oven. In the batch process on an industrial scale, the pulp preparation stage using an anchor agitator, and drying using a tunnel-type convective tray dryer were selected as central operations. The material balance per batch or cube was also carried out; thus determining that, to produce a unit of final product, 19.97 kg of highgrade paper and 0.14 m3 of drinking water must be processed. Based on this and the modeling of the phenomena of heat transfer, mass and momentum of the systems found in each stage, the process equipment was designed and selected. An annual production of 1872 units was projected, which is equivalent to 11% of the current demand for the product to be replaced. In this way, the operation times and energy consumption for each stage of the process were obtained, concluding that the process annually consumes 654.2 MWh of natural gas combustion energy and 73.4 MWh of electrical energy. Finally, based on the economic analysis of the process (CAPEX and OPEX of $157,316 and $75,792), it was concluded that, in order to obtain the economic viability of the process and meet the expectations of the investor, the minimum price at which the product could be marketed is $52, which is 4% higher than the price of the product to be replaced in the Peruvian market.