Fractionnement par tamisage sous pression

Fractionnement par tamisage sous pression

Avec des coûts croissants de l’énergie au niveau mondial, la survie de la mise en pâte mécanique industrielle dépend de la capacité des usines à réduire la consommation d’énergie dans leurs raffmeurs. Comme la majorité de l’énergie consommée se transforme en vapeur et ne sert pas au développement de la fibre, le potentiel de réduction énergétique est important mais la recherche actuelle ne progresse que très peu vers cet objectif. Malgré l’efficacité énergétique du raffinage à basse consistance, son potentiel à couper les fibres est cependant important et indésirable. Le raffinage de la pâte mécanique est un processus dans lequel la morphologie de la fibre est modifiée par l’imposition de contraintes mécaniques à la fibre.

Pour améliorer l’efficacité du procédé de raffmage à basse consistance, il est important de mieux comprendre les relations entre l’énergie consommée et le développement physique de la fibre. Nous serons ainsi plus en mesure de contrôler la coupe des fibres et leur développement, tout en maximisant le gain énergétique.

Plusieurs auteurs ont étudié ce sujet sous différents angles, et en sont venus à une série de conclusions. Le remplacement du deuxième stade RHC par un stade RBC a réduit la demande totale d’énergie pour un indice de traction de 40 N.m/g, de 300 kWh/t pour l’épinette de Norvège [1,2]. Les différentes fractions de fibres peuvent être utilisées séparément dans différents produits ou améliorées par un traitement approprié et recombinées dans une certaine forme afin d’améliorer la qualité des produits et lou obtenir une économie d’énergie .

La morphologie de la fibre change tout au long du processus de raffinage thermomécanique sachant que les fibres subissent une série de contraintes mécaniques. La grande efficacité énergétique du RBC apporte cependant un grand potentiel de coupe indésirable des fibres. La connaissance sur le développement des propriétés ouvre la voie à une possibilité d’amélioration du processus de raffmage. Le RBC est un procédé connu pour être un bon moyen en matière de rendement énergétique d’amélioration de certaines propriétés de la pâte [11, 12]. Bien qu’ils soient plus efficaces énergétique ment, les raffineurs BC ont cependant le potentiel de couper les fibres [13].

Développement des fibres

À haute consistance, les impacts mécaniques se produisent entre les plaques et l’ amas de fibres, tandis que les compressions et les cisaillements s’effectuent principalement entre les fibres. Ces impacts, compreSSIOns et cisaillements, tout en facilitant le développement des fibres, occasionnent en même temps une grosse perte d’énergie due à l’ effet d’ écrasement des fibres qui en résulte. En effet, la fibre est un matériel viscoélastique et une partie de l’ énergie transmise par chaque compression est perdue à combattre la partie élastique de la déformation. Lorsque l’intensité de raffmage augmente, il y a plus de travail fait dans la partie plastique, ce qui résulte souvent en une énergie globale plus basse. En même temps, il y a cependant un plus grand risque de briser la fibre lorsque le travail se fait dans la partie plastique.

À haute consistance et haute intensité, les impacts sont forts, rendant les opportunités de couper et d’ abimer les fibres plus importantes et plus fréquentes. Par contre, les propriétés des fibres se développent plus facilement lorsqu’ elles ont besoin de cette intensité. À basse intensité, le transfert d’ énergie est moindre à chaque impact. Plus d’énergie est requise, mais moins de facilité ou d’opportunité de coupe en résulte. Ainsi, les propriétés des fibres se développent d’ autant mieux.

Ainsi le raffmage à haute consistance s’effectue à basse ou à haute intensité pour transférer à la fibre une énergie différente produisant un développement de propriétés différent. L’indice d’ égouttage et la longueur de la fibre sont suffisants pour prédire l’indice de rupture et l’indice de déchirure suite à un raffinage à basse consistance [21].

Intensité et énergie

Sachant d’une part que le raffmage à basse consistance fait intervenir une grande intensité sur la fibre, et que par conséquent l’énergie est moindre, il demeure que cette forte intensité risque en même temps de couper les fibres.

Intensité à basse consistance (aC)
La déformation subie par la fibre est composée d’une partie élastique et d’une partie plastique et la majorité de l’énergie est appliquée sur la fibre dans la zone élastique, ce qui est la principale raison de la grande dépense énergétique requise par le procédé. L’objectif de la BC est de travailler assez vite, pour appliquer plus d’ énergie dans la zone plastique et moins dans la zone élastique (donc à haute intensité et énergie consommée moindre). En effet le RBC permet d’éviter d’appliquer l’ énergie à faible intensité, évitant ainsi des dispersions d’ énergie dans la zone élastique de la fibre, et par la même occasion évitant des dépenses énergétiques. Cependant, plus l’intensité est grande plus le risque de couper la fibre est grand. C’ est ainsi que, tout en protégeant la fibre, nous avons intérêt à travailler à plus haute intensité et donc à basse consistance. Un de nos buts est ainsi d’ étudier toutes les possibilités et les mécanismes qui permettraient de maximiser l’intensité, tout en protégeant la fibre.

Intensité à haute consistance (HC)
Lors d’un raffmage à HC, l’énergie est appliquée à plus basse intensité, la dépense énergétique est par conséquent plus grande. Par contre, il est beaucoup plus facile d’ éviter de couper la fibre. Devant les différences d’ énergie reqUIses entre la HC et la BC, il est intéressant d’ étudier les combinaisons possibles de ces deux procédés.

Le raffinage à haute consistance 

Impact de la production Le taux de production lors du raffmage a un impact direct sur la qualité ainsi que l’ énergie spécifique consommée. En l’an 2000, l’usine de Papiers Masson était le 1 er fabricant de pâte à papier à construire une nouvelle ligne de raffineurs unique. Cette ligne de raffmage, d’une capacité nominale de 800tonnes/jour, comprends 2 raffineurs RGP82 à disques coniques dans la ligne principale, un raffmeur de rejets du même type, suivi de 3 raffmeurs parallèles à basse consistance [31]. Elle alimente une machine à papier journal utilisant uniquement la pâte thermomécanique (PTM). La vitesse de cette machine a augmenté de façon continue par rapport à ses débuts, ce qui a poussé l’usine à concentrer ses efforts pour augmenter la capacité de production de leur PTM. La production initiale en 2000 était de 640 tonnes/jour. Elle dépasse actuellement les 800 tonnes/jour, sans que la qualité n’ ait été compromise. La qualité de la pâte a été maintenue à un haut niveau, ce qui a nécessité de nombreux efforts. La haute production en PTM a un double avantage :
– Réduction des investissements et des coûts de production.
– Réduction de la consommation d’énergie.
Ceci est excessivement important étant donné l’augmentation continue du prix de l’énergie.

Qualité des pâtes 

Inter-relation entre les propriétés de la pâte et du papier
La puissance nette est liée à l’ entrefer des plaques de raffmeur. Avec une valeur inférieure à la valeur critique, une diminution de la longueur des fibres devient évidente. De même, les changements dans l’indice d’égouttage sont liés à la puissance nette et les changements dans la fraction de fibres longues sont liés à l’écart de l’entrefer. Bien que le mécanisme physique de ce comportement soit inconnu, l’analyse statistique effectuée indique une forte corrélation entre ces variables.

Suite aux travaux de Forgacs [32] sur un raffmeur à haute consistance et de la pâte de meule, une corrélation existe entre la longueur des fibres et l’indice d’égouttage et un certain nombre de propriétés du papier, telles que l’Indice de déchirure et l’indice de traction. La résistance à la déchirure est bien en corrélation avec la distribution de la longueur des fibres. Cette corrélation indique un comportement exponentiel entre ces deux variables. Ces résultats montrent que la résistance à la déchirure est assez sensible à la distribution de longueur des fibres. De petits changements dans la distribution initiale de la fraction de fibres longues causent une diminution importante de la résistance à la déchirure du papier.

De la même manière, l’épaisseur des fibres est assez bien reliée à l’indice d’égouttage; la diminution d’épaisseur étant linéaire avec la diminution de l’indice d’égouttage. Ce résultat est indépendant des conditions particulières du raffinage pour l’obtention d’une quelconque valeur d’indice d’égouttage.

L’indice de traction des pâtes testées montre aussi une bonne corrélation avec le CSF. Cette relation a été acquise auprès d’un ajustement des moindres carrés à partir des données des propriétés de la pâte. À partir de cette méthode de corrélation en trois étapes, il est possible de créer des règles « de base » qui relient les variables d’exploitation directement aux propriétés finales du papier. C’est le type le plus utile de corrélation, car il lie directement les conditions d’exploitation aux propriétés finales du papier. L’exemple type est donné par la relation entre l’entrefer et l’augmentation de l’indice de traction. Ainsi, une augmentation de l’entrefer optimal est observée pour un indice d’égouttage accru. Pour chaque type de pâte, la moindre augmentation de la force de traction viendra raccourcir la longueur de la fibre. La baisse de la force de traction est le résultat d’un manque d’énergie transférée à la fibre, à savoir, pas assez de force est imposée pour briser la paroi cellulaire et causer d’importantes déformations plastiques. Ce résultat in-dique clairement la nécessité à contrôler le processus afln de maximiser la force de traction du produit fmal (le papier) avec le minimum d’énergie appliquée.

Énergie spécifique et qualité des fibres
La tendance actuelle vers les catégories de papier à plus grande valeur ajoutée exige l’application d’une énergie spéciflque sufflsante pour produire une pâte dont les flbres sont bien développées, souples et adaptables. Il se produit sinon des coupures dans la flbre et l’on obtient une pâte médiocre. L’analyse d’un mécanisme qui permettrait l’interaction du rafflneur sur les flbres a permis de prévoir que, pour une pâte donnée, la contrainte lors du raffmage dépend à la fois de la densité du matelas flbreux à un point donné du procédé et de l’énergie spéciflque par impact ou de l’intensité de fonctionnement du raffmeur. Cela peut aussi expliquer pourquoi, pour une même charge de moteur, l’écart entre les plaques est plus faible dans le raffmeur secondaire que dans le rafflneur primaire et pourquoi des rainures moins profondes peuvent entraîner un écart plus faible à une énergie spéciflque donnée. L’analyse suggère que, à mesure que la densité de la pâte s’accroit lorsque l’énergie spéciflque augmente, la contrainte par impact peut augmenter à une intensité donnée, ce qui pourrait en pratique limiter l’application d’énergie additionnelle .

Le raffinage à basse consistance 

Le concept
À basse consistance, le rafflnage s’effectue dans un milieu aqueux de 3 à 5% de consistance [34]. Dans ces conditions, des contacts vont se faire plus souvent entre les barres et les flbres que de flbres à flbres, et vont être très efflcaces pour la transmission de l’énergie aux flbres. L’énergie spéciflque de raffmage nécessaire pour l’obtention d’une qualité donnée, peut-être réduite en augmentant l’intensité de rafflnage. L’approche la plus simple est de réduire la consistance. Les résultats suggèrent que l’économie d’énergie dépend de la consistance utilisée et de l’indice d’égouttage (CSF) fmal de la pâte.

Les bénéfices potentiels diminuent pour les unités opérant déjà à BC, et ces bénéfices diminuent d’avantage proportionnellement à la baisse du CSF désiré. Il Y a moins de consommation d’ énergie à une intensité très élevée résultant en beaucoup de possibilités de coupe. Pour éviter de trop couper les fibres, le raffinage doit s’ effectuer en douceur. Seule une opération de raffmage en douceur permettra de développer ces fibres. De même, un raffinage trop doux, ne réussira pas à réaliser le développement voulu. C’ est le principal problème relié à l’utilisation de la basse consistance. Ainsi, à basse consistance, pour transmettre l’ énergie requise aux fibres, il devient nécessaire d’ effectuer un certain nombre d’ étapes de raffinage.

Variables d’opération
Il Y a une corrélation prévisionnelle de l’ entrefer avec une large gamme de variables du procédé et de la conception du patron des plaques du raffineur. L’ entrefer et l’ énergie spécifique sont suffisants pour prédire les changements de l’indice d’égouttage et de la longueur des fibres. L’indice d’égouttage et la longueur de la fibre sont suffisants pour prédire l’indice de rupture et l’indice de déchirure .

Conclusion

En matière d’énergie spécifique
Les procédés étudiés ont pour but d’élaborer une pâte qui requiert moins d’énergie, par rapport aux procédés classiques. Les propriétés de la pâte étudiée ont été analysées principalement autour de CSF 100 mL, un standard accepté par l’industrie. Ce travail expérimental a, d’autre part, tenté d’évaluer les changements morphologiques causés par la consistance de raffmage à la fois pour le raffmage de la pâte entière ainsi que pour le raffinage sélectif des fibres longues. Les modifications de la structure interne de la fibre participent, en fin de cette recherche, à la connaissance des impacts possibles qui interviennent lors de ces combinaisons de procédés de raffinage :
• Certaines propriétés telles que l’éclatement, la déchirure et la longueur des fibres sont maintenues même pour des économies d’énergie se rapprochant de 50% avec le RBC.
• D’autres propriétés comme l’indice de rupture sont modifiées, même lorsque le RHC est utilisé avec fractionnement.
• Il existe une possibilité d’obtenir des variétés utiles de pâte par un réglage et une modification des séquences de raffinage
• Le RBC permet une réduction très substantielle de la consommation d’énergie. Cependant, elle est accompagnée d’une perte de qualité au niveau de certaines propriétés dont l’indice de rupture.
• Les ratios énergétiques spécifiques RHCIRBC peuvent être contrôlés grâce à la combinaison d’étapes de raffinage dans la limite de 10 à 50% d’économie d’énergie.
• L’économie d’énergie étant très importante, par rapport à une perte mineure de la longueur des fibres, et d’un coefficient de diffusion plus faible.

Table des matières

Introduction
1.1 Problématique
Chapitre 2 – Revue de la littérature 
2.1 Développement des fibres
2.1.1 Intensité et énergie
2.1.1.1 Théorie liée à l’intensité
2.1.1.2 Relation entre l’énergie spécifique et l’intensité
2.1.1.3 Intensité à basse consistance (BC)
2.1.1.4 Intensité à haute consistance (HC)
2.2 Le raffmage à haute consistance
2.2.1 Impact de la production
2.2.2 Qualité des pâtes
2.2.2.1 Inter-relation entre les propriétés de la pâte et du papier
2.2.2.2 Énergie spécifique et qualité des fibres
2.3 Le raffmage à basse consistance
2.3.1 Le concept
2.3.2 Variables d’opération
2.3.3 Développement des fibres
2.3.4 Fractionnement des fibres
2.3.4.1 Principe de base
2.3.4.2 Les types de fractionnement
2.3.4.3 Fractionnement par tamisage sous pression
2.3.4.4 Les traitements après fractionnement
2.3.4.5 Applications du fractionnement
Chapitre 3 – Objectifs et approche expérimentale
3.1 Objectifs
3.2 Approche expérimentale
3.2.1 Plan d’essais
3.2.2 Méthodologie expérimentale
3.2.2.1 Fractionnement des pâtes
3.2.2.2 Raffinage des pâtes
3.2.2.3 Évaluation des pâtes et des papiers
Chapitre 4 – Contribution à la recherche 
Chapitre 5 – Résultats et discussion. Partie 1
Chapitre 6 – Résultats et discussion. Partie 2 
Chapitre 7 – Résultats et discussion. Partie 3 
Chapitre 8 – Conclusion

Télécharger le rapport complet