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Attività di alternanza scuola-lavoro. Parte seconda

Relazione

Lorenzo Dattile

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Indice

Introduzione ………………………………………………………………………………….

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1. Automazione ……………………………………………………………………………

3

1.1 Sistemi di controllo nell’industria cartaria ……………………………………………….

6

2. Energia, un concetto sviluppatosi anche nelle cartiere ……………………………………

8

2.1 L’energia elettrica ……………………………………………………………………….

8

2.2 L’energia termica ………………………………………………………………………..

9

2.3 La cogenerazione ………………………………………………………………………...

10

2.4 Fonti energetiche utilizzate in Sofidel …………………………………………………...

12

2.5 L’impianto fotovoltaico ...………………………………………………………………..

13

2.6 L’impianto idroelettrico ………………………………………………………………….

13

2.7 Indici di performance energetica ………………………………………………………...

14

3. Trattamento acque …………………………………………………………………………

15

4. Controllo parametri di processo …………………………………………………………...

17

5. Raffinazione ……………………………………………………………………………….

21

6. Conclusioni ………………………………………………………………………………..

22

.

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Introduzione

Il presente elaborato ha ad oggetto il secondo periodo di alternanza scuola-lavoro che ho svolto

nella cartiera Sofidel in Porcari (LU), via Lazzereschi 23.

Mentre la precedente relazione riferita al primo periodo di alternanza scuola-lavoro era

maggiormente incentrata sul funzionamento in generale della cartiera e sui processi di produzione,

la presente relazione ruoterà in maniera prevalente attorno agli aspetti della automazione, energetici

e chimici.

1. Automazione

Il primo argomento trattato durante l’alternanza scuola-lavoro è stato quello dell’automazione. Per

automazione s’intende quella tecnologia che usa sistemi di controllo (come circuiti logici) per

gestire macchine e processi, riducendo così l’intervento dell’uomo. Questo è reso possibile grazie

all’introduzione di “automatismi” (dispositivi a variazioni di determinate grandezze) nelle

macchine, che comandano operazioni prestabilite che si compiono da sé.

L’ automazione cartaria è composta principalmente dai seguenti elementi:

1. strumentazione;

2. collegamenti in campo;

3. azionamenti;

4. PLC;

5. SCADA;

6. DCS.

7. QCS

1. Strumentazione

Fanno parte della strumentazione cartaria i trasmettitori, gli attuatori, i sensori di stato, i comandi di

stato.

I trasmettitori sono dispositivi che, posizionati sul processo, osservano continuamente una

grandezza fisica e la trasformano in un segnale elettronico o digitale standard (misuratori di

pressione, portata, temperatura, livello, consistenza, pH ecc...).

Gli attuatori sono quei dispositivi che, disposti sul processo, modificano in continuo una grandezza

fisica in base a un segnale elettronico o digitale standard (valvole,motori ecc..).

I sensori sono strumenti che, installati sul processo, inviano un segnale elettronico o digitale

standard per indicare il conseguimento di una certa condizione (pressostati,termostati, ecc …).

I comandi di stato sono apparecchiature che, sul processo, comandano una determinata operazione

attraverso un segnale elettronico o digitale (comandi on /off per accendere/spegnere motori elettrici

ecc…). Durante l’attività di alternanza ho potuto vedere tutti questi strumenti e capire le loro

metodologie d’intervento.

2. Collegamenti in campo

I calcolatori di processo sono collegati alla strumentazione in campo secondo due possibili

standard: quello elettronico e quello digitale. Nella soluzione tradizionale (Fig.1) ogni strumento è

collegato con il suo cavo elettrico ad una scheda di interfaccia di ingressi e uscite del sistema di

controllo. Con questo metodo si facilita la manutenzione elettrica. Con la soluzione digitale (Fig.2),

i calcolatori di processo e gli strumenti in campo sono collegati da un unico cavo elettrico (“bus di

campo”) su cui comunicano digitalmente e cioè attraverso successioni di stati elettrici (alti o bassi)

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secondo modalità standard. Si risparmia così sui cavi e sull’impianto. Quest’ultimo sistema presenta

però due inconvenienti fondamentali:

- la rottura del cavo produce un malfunzionamento nella comunicazione digitale tra tutti gli

strumenti collegati al calcolatore;

- l’unità di gestione dei dati e lo strumento devono parlare lo stesso linguaggio.

Fig.1 Fig.2

3. Azionamenti

Sono apparecchiature che servono a portare e a mantenere la macchina della carta a una certa

velocità di produzione. Comprendono i motori e i lori controllori. I motori sono di grande potenza,

in corrente continua o alternata. I motori sono comandati da controllori elettronici:

- inverter nel caso di motori a corrente continua;

- “a tiristori” per motori a corrente continua.

Ogni motore in macchina è comandato separatamente ed è asservito ad un controllore master che

stabilisce la velocità principale di produzione.

4. PLC

PLC (Programmable Logic Controller) è un unità

intelligente proposta al controllo dei macchinari, e

caratterizzata da velocità d’azione. Nato per i processi

industriali discontinui, il PLC (Fig.3) gestisce tipicamente

in cartiera le logiche veloci di molti macchinari (pope,

bobinatrice ecc..). Recentemente il PLC è stato usato per

il controllo di processi continui, collegando più PLC tra di

loro e con uno o più PC in supervisone (ossia lo SCADA).

Il PLC gestisce una quantità di dati in input e output in

funzione di quanto è potente la sua CPU; più questa è

potente, maggiore è il numero di entrate ed uscite

analizzata dall’unità intelligente. Fig.3

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5. SCADA

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) (Fig.4) è un sistema informatico distribuito

per il monitoraggio elettronico di sistemi fisici. È composto da:

- uno o più sensori per misurazioni di grandezze fisiche;

- uno o più controllori;

- un sistema di telecomunicazione tra microcontrollori e il supervisore (la rete Enthernet);

- un computer supervisore che raccoglie periodicamente dati dai microcontrollori.

Ha diverse funzionalità (Fig.5):

- acquisizione dei dati: per regolare una variabile è necessario un sistema di lettura della

variabile in gioco;

- supervisione: controllare la veridicità del valore della misura riportato dal DCS;

- controllo: una volta “letta” la variabile si decide quali sono i valori che deve avere per fare

in modo che il processo “scorra” nel migliore dei modi.

Fig.4 Fig.5

6. DCS

DCS (Distributed Control System) (Fig.6) è un sistema di controllo distribuito costituito da una rete

digitale a cui sono collegate delle unità intelligenti (le “stazioni”). Le stazioni pongono in rete le

informazioni che esse elaborano, e ne estraggono quelle di cui hanno bisogno. Grazie al DCS le

stazioni-operatori sono quelle dedicate all’interfaccia con l’utente, caratterizzata da video o schemi

su cui l’operatore vede i parametri di processo, e con cui comanda le regolazioni necessarie per la

gestione del processo su cui l’operatore. In Sofidel le stazioni-operatori sono raccolte in una sala di

controllo (Control Room).

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Fig.6

7. QCS

QCS (Quality Control System), o sistema di controllo in linea, è un sistema che misura e regola in

continuo le caratteristiche qualitative del foglio di carta in produzione. È formato da:

- un “ponte di scansione” (struttura meccanica di supporto);

- dei sensori che scorrono continuamente nel Ponte di Scansione, rilevando e caratteristiche del

foglio;

- dei programmi di regolazione in continuo, in senso trasversale e longitudinale.

I parametri più controllati dal QCS sono la grammatura, l’umidità e lo spessore. In Sofidel è stato

introdotto nel QCS anche la misura della morbidezza, qualità della carta molto richiesta dalla

clientela oggigiorno soprattutto per quanto riguarda il settore del tissue.

1.1 Sistemi di controllo nell’industria cartaria

I sistemi di controllo nell’industria di processo (come quella delle cartiere) hanno solitamente la

struttura illustrata nella Fig.7. Al livello più basso troviamo lo strato di controllo diretto, che

controlla in genere le variabili di processo fondamentali, quali temperatura, pressione, flussi e

concentrazioni, mediante opportuni sensori (in particolare misuratori di concentrazione, di

conduttività, di pH, gascromatografi, sonde infrarosse). Lo strato di controllo supervisivo coordina

il controllo di una componente o di alcune componenti del processo strettamente connesse, nonché

l’azione di diversi anelli di controllo, cercando di mantenere le condizioni del processo vicine a

quelle ottimali, garantendo nel contempo che non vengano violati i vincoli operativi. Le variabili

controllate dai controllori di supervisione possono essere delle misure dirette sul processo, delle

variabili calcolate o stimate da tali misure, o le uscite di un controllore diretto. Le condizioni

ottimali che i controllori di supervisione cercano di mantenere possono essere determinate da uno

strato di controllo di ottimizzazione in tempo reale (RTO, Real Time Optimization). Lo strato RTO

identifica tali condizioni ottimali risolvendo un problema di ottimizzazione che coinvolge modelli

dei costi di produzione, dei valori dei prodotti (eventualmente dipendenti dalla qualità) e del

processo stesso. chimico. Lo strato di controllo di più alto livello tra quelli illustrati nella fig è lo

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strato di pianificazione e

programmazione della produzione, che

determina quali prodotti devono essere

generati e quando. Questo strato

necessita di informazioni dal

dipartimento vendite sulle quantità da

produrre per i diversi prodotti, le

scadenze per le consegne ed

eventualmente i prezzi. Il controllo

automatico è quello più diffuso (nei

processi industriali come le cartiere) e

ha rappresentato la natura

dell’evoluzione nel controllo di

processo, motivata da:

- passaggio da processi

discontinui a continui di

crescente complessità;

- esigenza di affrancare l’uomo da

operazioni ripetitive;

- necessità di mantenere le

specifiche più ristrette sui prodotti. Fig.7

Il processo è una rete di cambiamenti, attività o azioni collegate tra loro. Il processo industriale è un

procedimento attraverso il quale avviene la trasformazione del prodotto grezzo in semilavorato o

prodotto finito. Anche se il processo è stabile, il controllo si rende necessario per evitare un arresto

dovuto a condizioni operative indesiderate. Numerosi sono i motivi per cui controllano:

1) stabilizzare il processo;

2) assicurare la regolarità del processo;

3) minimizzare l’impatto ambientale;

4) ottenere la qualità desiderata del prodotto;

5) ottenere il tasso di produzione voluta;

6) ottimizzare il funzionamento del processo;

7) evitare il funzionamento manuale.

In scienza dell'automazione, il controllo automatico di un dato sistema dinamico (di un motore, di

un impianto industriale, di una funzione biologica come il battito cardiaco) si prefigge di modificare

il comportamento del sistema da controllare, ovvero delle sue uscite, attraverso la manipolazione

delle grandezze d'ingresso. Un sistema automatico di controllo può funzionare essenzialmente in

due modi: come controllo ad anello aperto o come controllo in retroazione.

In una regolazione ad anello aperto (o predittiva o feed-forwad control) vengono effettuato certe

azioni e operazioni su attuatori per ottenere un certo risultato finale. A seconda della presenza di

disturbi durante il processo il risultato della regolazione sarà più o meno conferme alle aspettative.

Il controllo ad anello chiuso (o in retroazione o all'indietro o feedback), più complesso ma molto più

flessibile del primo, può rendere stabile un sistema che di per sé non lo è affatto; viene fatta

un’azione di controllo, si verifica uno o più effetti e, in funzione del fatto che questo o questi siano

positivi o negativi, si agisce con un ulteriore controllo fino a quando l’errore generatosi dalla

differenza tra la misura della variabile controllata e il valore desiderato è pari a 0.

La presenza di retroazione fornisce ad un sistema le seguenti caratteristiche:

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- aumento di precisione;

- riduzione degli effetti delle non linearità e delle distorsioni;

- aumento della banda passante (ossia quel campo di frequenze per cui il sistema risponde in

modo soddisfacente);

- tendenze all’oscillazione o all’instabilità.

2. Energia, un concetto sviluppatosi anche nelle cartiere

Per energia si intende la grandezza che esprime la capacità di un sistema di compiere un lavoro e

che, avendo le dimensioni fisiche di quest'ultimo, viene misurata in joule. Può manifestarsi in varie

forme:

- meccanica;

- elettronica;

- termica;

- chimica;

- nucleare.

Le principali forme di energia che utilizzano le cartiere ed in particolare Sofidel sono quella

elettrica e termica.

2.1 L’energia elettrica

Per capire al meglio l’energia elettrica si devono innanzitutto fissare alcuni concetti di base: la

potenza elettrica (in watt o w) è il prodotto del potenziale elettrico (in volt) per l’intensità (in

ampere). A titolo esemplificativo, si pensi ad una cascata dove altezza e larghezza sono,

rispettivamente, il potenziale elettrico e l’intensità. Moltiplicando la potenza elettrica per il tempo

si ottiene l’energia elettrica (in wattora o wh).

Per avere una idea chiara del consumo di energia elettrica da parte della Sofidel si devono

conoscere alcune equivalenze:

- 1 MVh = 1000 kVh = 1000000 Wh;

- 1 kVh = 10 ore di funzionamento di una lampadina da 100 W.

Una famiglia italiana consuma mediamente 2700 kWh l’anno. Sofidel consuma mediamente

915941 MVH l’anno ed una quantità di energia elettrica equivalente a quella di 339000 famiglie

italiane.

L’energia elettrica si può produrre in vari modi:

- produzione termoelettrica;

- produzione idroelettrica;

- produzione eolica;

- produzione geotermica;

- produzione nucleare.

L’energia elettrica come si vede dall’ immagine … per essere trasportata dopo che è stata prodotta

dalla centrale di generazione viene convertita in alta tensione da una trasformatore in modo da poter

impiegare per il suo scorrimento cavi più fini rispetto a quelli che si dovrebbero utilizzare per bassa

tensione e anche per il fatto che ci sarebbero meno dissipazioni. Vengono impiegati i tralicci per la

trasmissione ed un trasformatore riduttore che ritrasforma la tensione della corrente da alta a bassa.

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In Sofidel l’alta tensione della corrente elettrica (circa 132 kVolt) viene convertita in media (15

kVolt) da trasformatori elettrici (Fig.8). Accanto a questi trasformatori sono presenti gli interruttori

generali, ovvero quei dispositivi elettronici in grado di interrompere un circuito elettrico. Vengono

definiti generali perché quando sono aperti non consentono il passaggio della corrente in tutti i

settori della cartiera che richiedono l’energia elettrica per poter funzionare. Dopodiché la corrente

passa in altri trasformatori che la convertono in bassa tensione (400 Volt) in modo che possa essere

distribuita in modo semplice e meno pericoloso. La corrente procede verso PCC una sorta di

interruttori che avviano o interrompono l’afflusso di corrente elettrica nelle vari fasi del processo di

produzione della carta (come la Preparazione Impasti). Poi la corrente si dirige verso gli MCC

(Motor Control Cabinet) (Fig.9) anche questi interruttori che si differenziano dai PCC perché

inviano corrente elettrica ai motori delle varie macchine delle varie sezioni di produzione (ad

esempio pulper, depastigliatore…). Ad esempio nel caso in cui dovessimo fare manutenzione al

pulper dovremmo aprire gli MCC poiché se aprissimo i PCC fermeremo anche le altre macchine

come depastigliatori, raffinatori…

Fig.8 Fig.9

2.2 L’energia termica

È la capacità di un corpo di generare calore. Ogni corpo a una temperatura superiore allo zero

assoluto (-273,15 ° C) genera calore.

In cartiera l’energia termica viene per la maggior parte prodotta attraverso reazioni chimiche di

combustione. Per avere energia termica vengono utilizzati i seguenti combustibili (sostanza chimica

che viene ossidata nel processo di combustione producendo energia):

a) gas naturale;

b) biomassa.

a) Gas naturale

È un gas prodotto dalla decomposizione anaerobica di materiale organico. Si trova comunemente

allo stato fossile, insieme al petrolio, al carbone o da solo in giacimenti di gas naturale. Il suo

principale componente è il metano (CH4), la più piccola delle molecole degli idrocarburi. Di solito

contiene anche altri idrocarburi gassosi più pesanti come etano (C2H6), butano (CH3CH2CH2CH3),

propano (CH3CH2CH) nonché pentano (C5H12). La portata di gas naturale si calcola in m3. Tale

portata per il potere calorifico (Wh/m3) fornisce il valore dell’energia prodotta. In un anno una

famiglia italiana consuma mediamente 100 m3 di gas naturale; Sofidel invece ne consuma una

quantità equivalente a quella di 223000 famiglie italiane.

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b) Biomassa

Si tratta di materiale organico prodotto per fotosintesi e utilizzato per generare energia. Sofidel

utilizza gli scarti del legno come materiale organico. Le biomasse e i combustibili da esse derivati

emettono nell'atmosfera, durante la combustione, una quantità di anidride carbonica più o meno

corrispondente a quella che viene assorbita in precedenza dai vegetali durante il processo di

crescita. L'impiego delle biomasse ai fini energetici non provoca quindi il rilascio di nuova anidride

carbonica, principale responsabile dell'effetto serra. Inoltre, data la loro natura, la biodegradabilità

costituisce un ulteriore vantaggio per l'ambiente.

2.3 La cogenerazione

Molte cartiere, tra cui Sofidel, sono provviste di impianti cogenerativi (detti cogenaratori) sia per la

produzione di energia elettrica (sotto forma di corrente alternata) che di quella termica (sotto forma

di vapore acqueo). Spesso si pensa erroneamente che questi impianti producano energia rinnovabile,

ma in realtà generano energia detta “da fonti fossili”. In una cartiera l’impianto di cogenerazione

(Fig.10) è composto generalmente da:

1) turbina a gas e generatore elettrico;

2) caldaia a recupero;

3) degasatore;

4) caldaia di riserva.

Fig.10

1) La turbina a gas e il generatore elettrico

Come si può notare nella Fig.11 l’aria è aspirata e compressa dal compressore che la immette in

camera di combustione. Qui viene miscelata al combustibile (gas naturale). Dopodiché la turbogas

trasforma l’energia termica contenuta nel gas metano in un lavoro meccanico che permette di far

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girare il generatore elettrico e generare energia elettrica. In alternativa si può avere un classico

motore a combustione interna.

Fig.11

2) Caldaia a recupero

I fumi di scarico della turbina (che sono ad una

temperatura di circa 500 °C) fluiscono nella caldaia a recupero (Fig.12) che li utilizza per

riscaldare dell’acqua e trasformarla in vapore. Il

vapore verrà poi utilizzato nel processo di

produzione della carta.

Fig.12

Fig.13

3) Degasatore

In un circuito vapore-condense si hanno inevitabili perdite che

vengono reintegrate con acqua fresca. L’acqua fresca contiene

al suo interno diversi gas disciolti (quali ossigeno e anidride

carbonica) che devono essere necessariamente eliminati prima

che l’acqua venga surriscaldata per diventare vapore).

L’ossigeno disciolto provoca gravi forme di corrosione con

produzione di depositi di ossidi. L’anidride carbonica si

combina invece con l’acqua per formane acido carbonico che

provoca ulteriore corrosione. Il degasatore (Fig.13) ha dunque la

funzione di eliminare tali gas

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4) Caldaia di riserva

È una caldaia (Fig.14), di solito a gas, che viene usata per produrre vapore quando il cogeneratore è

fermo.

Fig.14

Sofidel ha molti impianti di cogenerazione:

- due turbine in Soffass Cartiera Via Lazzareschi (la sede dove ho svolto l’attività di

alternanza);

- una turbina in Soffass Via Leccio;

- un motore in Soffass Valdottavo;

- un motore in Soffass Val Fegana;

- un motore in Soffass Monfalcone;

- due motori a Haines City (USA);

- una turbina in Sofidel Poland (PL).

2.4 Fonti energetiche utilizzate in Sofidel

Prima di procedere all’analisi delle fonti energetiche utilizzate in Sofidel, è necessario occuparci

della loro distinzione in:

- primarie, quelle che non devono essere sottoposte ad alcuna conversione o trasformazione

da parte umana (gas naturale, energia elettrica,…);

- secondarie, quelle che hanno subito un processo di conversione o trasformazione all’interno

degli impianti (vapore, aria compressa,…).

In Sofidel (e nelle cartiere in generale) l’energia elettrica viene prodotta per il funzionamento di

motori, pompe e compressori mentre il gas naturale è utilizzato nei bruciatori a gas per la

generazione di aria calde per le cappe e nelle caldaie (impianti di cogenerazione) per la produzione

di vapore in pressione per il monolucido (e energia elettrica).

Il vapore viene utilizzato per l’asciugamento della carta nello yankee, mentre l’aria compressa viene

usata per gli azionamenti pneumatici e per la pulizia.

In Sofidel il ciclo vapore è strutturato in modo semplice ed efficace: l’acqua condensata sottoforma

di vapore grazie alla caldaia a recupero fluisce verso il monolucido per riscaldare la carta ancora

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molto umida (circa 40% d’acqua contenuta al suo interno). Prima di arrivare al monolucido, il

vapore scorre attraverso l’eiettore (detto anche turbocompressore); un fluido motore in pressione (in

questo caso vapore a circa 206° C e una pressione di 18 bar) viene accelerato attraverso una

strozzatura e, per "effetto Venturi", crea una depressione tale da aspirare un secondo fluido (il

vapore contenuto nell’acqua condensata originatasi dopo che il vapore ha raggiunto lo yankee),

effettuando così la miscelazione dei due. Le molecole di vapore contenute nell’acqua condensata

vengono separate grazie al barilotto condense che funziona per gravità: il gas avendo una densità

minore dell’acqua tende ad andare verso l’alto. Le condense tornano al degasatore per eliminare i

gas disciolti al loro interno ed infine al cogenearatore.

L’aria compressa viene utilizzata invece per gli azionamenti pneumatici e per la pulizia.

In cartiera l’aria viene aspirata e compressa da un imponente compressore. Dato che l’aria terrestre

è ricca di vapore acqueo, quella prelevata passa al deumidificatore dove viene rimossa l’acqua al

suo interno (che potrebbe causare rotture di macchinari). L’aria viene convogliata in un polmone

per evitare eccessive fluttuazioni. Dopodiché viene inviata agli azionamenti.

2.5 L’impianto fotovoltaico

Questi sistemi (Fig.15) generano energia

rinnovabile. Per energie rinnovabili si

intendono quelle forme di energia che si

rigenerano in tempi brevi se confrontati con

tempi caratteristici della storia umana. Esso

sfrutta l’energia solare incidente per produrre

energia elettrica. È composto da:

- celle fotovoltaiche;

- inverter, elemento che trasforma la

corrente elettrica prodotta dalle celle da

continua ad alternata (più facile da

trasportare e unica che può essere

immessa in rete). Fig.15

Sofidel dispone di 3 impianti fotovoltaici:

- Soffass Cartiera in Via Lazzareschi;

- Soffass in Via Fossanuova;

- Soffass in Tassignano.

Nell’anno 2016 Sofidel ha prodotto 4023525 kWh di energia elettrica pari al consumo di 1490

famiglie.

2.6 L’impianto idroelettrico

Come quelli fotovoltaici anche quelli idroelettrici producono energia rinnovabile. Esistono due

tipologie di questi sistemi produttori di energia:

- a letto fluente (più utilizzati in cartiera);

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- a bacino (diga).

I principali componenti di un impianto idroelettrico a letto fluente sono:

- presa di opera;

- condotta;

- centrale.

Gli elementi di una centrale (Fig.16) sono:

- turbina, che trasforma l’energia cinetica in energia meccanica;

- generatore, che trasforma l’energia meccanica della turbina in energia elettrica a corrente

alternata;

Fig.16

Sofidel dispone di 2 impianti idroelettrici:

- Soffass Val Fegana;

- Werra (in Germania).

Sofidel ha prodotto nel 2016 con questi impianti quasi 2000000 kWh pari al consumo di circa 750

famiglie.

2.7 Indici di performance energetica

Per fornire una chiara valutazione sulle prestazioni di consumo energetico della propria azienda, gli

energy manager mettono a confronto l’energia che la cartiera consuma con la quantità di carta che

produce.

DESCRIZIONE INDICATORE UNITÀ DI MISURA

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Consumo specifico di energia

elettrica (cartiera)

Consumo di energia elettrica

Produzione cartiera

kWh/t

Consumo specifico di energia

elettrica (converting)

Consumo di energia elettrica

Produzione converting

kWh/t

Consumo specifico di gas

naturale

Consumo di gas

Produzione cartiera

m3/t

Consumo specifico di gas

naturale

Consumo di gas

Produzione cartiera

kWh/t

Raccogliendo e analizzando i dati su questi indicatori si può:

- avere a disposizione dei dati oggettivi per capire se vengono gestiti in modo adeguato i

processi della cartiera ;

- verificare l’andamento nel tempo delle proprie prestazioni;

- stabilire gli obbiettivi di consumo specifico per ogni stabilimento;

- misurare i propri miglioramenti.

Una cartiera che produce carta tissue ha mediamente un consumo di energia per il calore di

processo tra 1800 – 2100 kWh e di energia elettrica tra 900 – 1100 kWh.

3. Trattamento acque

La cartiera utilizza nel suo processo un enorme

quantitativo di acqua. Diventa, pertanto, di

fondamentale importanza affrontare il problema

del trattamento delle acque (Fig.17) di scarico

soprattutto all’interno di una cartiera, dove

l’acqua è la materia principale in tutti i processi

di lavorazione ed attraverso i quali subisce delle

continue modifiche:

- eliminazione dell’ossigeno;

- apporto di sostanze tossiche e batteri;

- variazioni continue di temperature

soprattutto nei punti ove gli scarichi

confluiscono dando

- origine così al temuto fenomeno

dell’inquinamento. Fig.17

Ogni stabilimento pertanto viene autorizzato mensilmente allo scarico di una determinata quantità

di inquinante che non deve superare i limiti prefissati in funzione di cosa e quanto produce:

Parametri Valori

pH 5,5 – 9,5

Temperatura °C (*)

Colore Non percettibile

Odore Tracce da non arrecare molestia

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Materiali Grossolani Assenti

Materiali

Sedimentabili

0,05 cm3/l

Grassi e oli

amimali/veg

20 mg/lt

Solidi sospesi 80 ml/l

Tensioattivi tot 2 ml/l

Saggio di Tossicità Non tossico al 50%

La Sofidel prende l’acqua da utilizzare nel suo processo dalla falda idrica e dal fiume Serchio.

L’acqua del fiume poiché sporca viene depurata con il filtro a sabbia. Si tratta di un grosso

contenitore ripieno per l’appunto di sabbia. L’acqua scorre attraverso il filtro e i solidi presenti

rimangono bloccati dalla sabbia. L’acqua utilizzata nel processo cartario viene distinta

generalmente in tre gruppi:

- acque prime,ricche di fibre, fini e cariche vengono utilizzate soprattutto per la diluzioni

dell’impasto nel processo di lavorazione;

- acque seconde, meno ricche di fibre, cariche e fini, sono utilizzate per i vari lavaggi degli

impianti idrici di pulizia della tela;

- acque fresche, di origine esterna a cui si ricorre per evitare un eccessivo accumulo di

sostanze inquinanti e per reintegrare le acque evaporate in corrispondenza del monolucido o

scaricate fuori dall’impianto.

L’acqua di processo della macchina continua per essere riutilizzata in cartiera deve subire alcuni

trattamenti. Il primo trattamento dell’acqua si ha al “flottatore” dove viene divisa dalla fibra.

L’acqua flottata a sua volta entra in ingresso al decantatore; qui subisce una nuova depurazione ma

stavolta per decantazione. L’acqua in uscita dal decantatore entra in ingresso al Water Reuse o

epuratore biologico. Questo enorme macchinario ha il compito di purificare l’acqua poiché una

parte di questa verrà scaricata mentre un'altra verrà impiegata nuovamente nel processo. L’acqua è

sottoposta a 3 sistemi di filtrazione:

a) mediante l’utilizzo di fanghi attivi;

b) ultrafiltrazione;

c) osmosi interna.

a) Fanghi

Per rimuovere le sostanze inquinanti disciolte nell’acqua vengono utilizzati sistemi biologici; questi

trattamenti di depurazione agiscono in ambiente molto più concentrato in modo che le reazioni

avvengano ad una velocità notevolmente maggiore. Nel trattamento biologico si utilizza una cultura

di microrganismi in prevalenza batteri di diversa specie la cui funzione è quella di decomporre le

sostanze organiche in prodotti finali non nocivi. Queste trasformazioni possono avvenire sia in

ambiente aerobico che anaerobico: i primi utilizzano l’ossigeno disciolto nell’acqua o fornito

artificialmente in modo da contenere le condizioni favorevoli a mantenere in vita i microrganismi

ed a ottenere anche la migliore attività degli stessi. I processi anaerobici invece hanno la

particolarità di avvenire in ambienti privi di ossigeno utilizzando l’energia liberata dall’ossidazione

di prodotti inorganici o direttamente da sole. Questi processi producono una quantità di materiale

biologico flocculento che rimane attaccato alla superficie di trattamento (filtri percolatori) o rimane

disperso nel liquido da trattare (fanghi attivi). Per mantenere questa massa sempre attiva ed

utilizzabile è molto importante che il livello di ossigeno non discenda mai sotto determinati

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paramenti che altrimenti comprometterebbe il corretto funzionamento del sistema di depurazione. I

fanghi sono importanti perché “digeriscono” la fibra. L’ambiente ideale per generare questi batteri è

a pH neutro. Quindi in questo trattamento l’acqua che attraversa questi “materiali biologici” perde

le fibre presenti al suo interno.

b) Ultrafiltrazione

Dopodiché l’acqua viene ultra filtrata per eliminare i corpuscoli ancora rimasti. In pratica essa

scorre tra ripetuti filtri dove i materiali fini rimangono intrappolati.

c) Osmosi

Nel processo produttivo le acque devono presentare basse conducibilità come se fossero distillate

poiché in caso contrario potrebbero portare ad incrostazioni nelle tubazioni. Nonostante questi due

sistemi di filtrazione, l’acqua presenta un elevata conducibilità a causa dell’alto contenuto di Sali.

L’osmosi inversa rappresenta la più fine tecnica di filtrazione dell'acqua, in quanto non consiste

semplicemente in un ostacolo fisico (determinato dalle dimensioni dei pori) al passaggio

delle molecole, ma sfrutta la diversa affinità chimica delle specie con la membrana, permettendo

infatti il passaggio delle molecole idrofile (o water-like), cioè chimicamente simili all'acqua (ad

esempio gli alcoli a catena corta). Pertanto affinché venga abbassata la conducibilità e quindi ridotto

il contenuto di Sali disciolti, l’acqua subisce una desalinizzazione per essere poi rimandata nel ciclo

delle acque fresche.

L'osmosi inversa , detta anche iperfiltrazione, è il processo in cui si forza il passaggio delle

molecole di solvente dalla soluzione più concentrata alla soluzione meno concentrata ottenuto

applicando alla soluzione più concentrata una pressione maggiore della pressione osmotica (cioè la

pressione che occorre applicare alla soluzione affinché il passaggio del solvente non avvenga). In

pratica, l'osmosi inversa viene realizzata con una membrana che trattiene il soluto da una parte

impedendone il passaggio e permette di ricavare il solvente puro dall'altra. Questo fenomeno non è

spontaneo e richiede il compimento di un lavoro meccanico pari a quello necessario per annullare

l'effetto della pressione osmotica. Vicino al trattamento per osmosi, installato su una tubazione, è

presente un misuratore di conducibilità (dell’acqua) per controllare che il valore di tale parametro

sia conforme al range di valori impostato con la calibrazione dello strumento di misura.

4. Controllo parametri di processo

Durante l’attività di alternanza scuola lavoro l’ingegner Liuzzo ha spiegato quali sono i controlli di

processo che generalmente vengono eseguiti per il buon funzionamento della cartiera. La prova

pratica è stata illustrata dall’operatore Luca Parri. I parametri di processo che abbiamo visto ed

effettuato sono i seguenti:

1) consistenza;

2) pH;

3) conducibilità;

4) domanda di carica;

5) potenziale z;

6) parametri analitici delle acque (durezza, cloruri, nitrati, fosfati, ATP, metalli pesanti, ecc…).

7) ritenzione

8) SST (solidi sospesi totali) nelle acque

1. Consistenza

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In ambito tecnico-cartario per consistenza si intende la percentuale, in peso, tra i materiali fibrosi

contenuti (nella sospensione) ed il peso totale dell’impasto. In pratica, con questa analisi viene

misurata la concentrazione dei solidi nelle acque di processo. Questa prova è importante perché

permette di testare il corretto funzionamento del misuratore di consistenza. Innanzitutto, si

prelevano 500 ml d’impasto (ad esempio dalla tina di scarico del pulper). La sospensione fibrosa

viene messa in un becher (almeno di 5 litri) ed aggiunta acqua per ottenere una diluizione 1 a 10.

Dopodiché si preleva un litro della nuova soluzione in modo che si abbia direttamente un valore in

grammi/litro come da protocollo. Parallelamente a tutto ciò si pesa un filtro di carta, si registra il

suo valore (in grammi) e si mette sopra un imbuto che presenta dei fori per far passare la soluzione

d’impasto diluita in un ampolla collegata, a sua volta, ad una pompa a vuoto che ne velocizza il

filtraggio. Non appena il litro di sospensione fibrosa diluita è stato filtrato si prende il filtro di carta

contenente solidi fibrosi e si mette in stufa per circa un ora. Poi si prende il filtro, si pesa sulla

bilancia e si sottrae questo valore a quello trovato prima in modo da ottenere la quantità di fibra.

2. pH

Il pH è un numero che indica la concentrazione di ioni di idrogeno [H+] presenti in soluzione. La

sua misura permette di controllare la qualità generale del processo. Può dipendere da:

- qualità/quantità di prodotti chimici addizionati;

- qualità/quantità dei fanghi nelle spappolate;

- variazioni del tipo di cellulosa.

Il pH può comportare ad :

- una riduzione dell’efficienza dei prodotti chimici nel caso di sue eccessive fluttuazioni;

- una diminuzione dell’idrofilicità (capacità di legarsi con l’acqua) e plasticità della fibra se il

pH è acido;

- una quantità di depositi nell’impianto (carbonati, solfati, fosfati, ecc …) quando il pH non è

gestito correttamente.

La prova consiste nell’immergere una sonda collegata ad un piaccametro (che è stato calibrato)

nella soluzione da analizzare (generalmente l’acqua di scarto del Water Reuse ovvero dell’epuratore

biologico) e sul display dello strumento quando è stato acceso e avviato verrà fornito il valore del

pH. La taratura del pH-metro si effettua immergendo il suo elettrodo in tre soluzioni tampone

rispettivamente a ph basico (10), neutro (7) e acido (4). La sonda si inserisce nella prima soluzione,

si accende lo strumento, si preme il tasto CAL e quando sul display del piaccametro compare il

valore del pH noto si passa alla seconda soluzione e poi alla terza ottenendo la completa

calibrazione dello strumento per tutti i valori di pH. Nel passare da una soluzione all’altra la sonda

deve essere bagnata con acqua non distillata poiché lo strumento rallenterebbe la velocità di lettura.

Queste acque per essere scartate devono avere un valore di PH compreso tra 5,5 e 9,5 ed una

temperatura non superiore ai 40 gradi.

3. Conducibilità

È la capacità di una soluzione di condurre una corrente elettrica ed è misurata in unità micro

Siemens per centimetro (µS/cm) ad una temperatura di 20°C. I sali disciolti nell’acqua consentono

il passaggio della corrente elettrica: un valore alto di conducibilità è indice di una elevata quantità di

sali minerali disciolti nell’acqua. Dipende principalmente dalla:

- qualità dell’acqua fresca;

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- apertura (chiusura) del ciclo delle acque;

La conducibilità deve essere tenuta il più basso

possibile. Una conducibilità elevata può produrre:

- corrosione impianto;

- formazione di depositi;

- riduzione della ritenzione;

- formazione di schiuma.

La prova inizia con la calibratura dello strumento noto

come conduttivi metro (Fig.18); il suo elettrodo

collegato viene immerso in una soluzione salina a

conducibilità nota (1413uS/cm come da protocollo) e

vengono premuti i tasti ON per accendere lo strumento e

CAL per avviare la taratura. Poi una volta calibrato, la

sonda viene immersa nelle differenti soluzioni (liquide)

che si vogliono analizzare (usualmente acque di scarto di

processo).

4. Domanda cationica

Il test viene condotto per

determinare la quantità di

polielettroliti sulla cellulosa. In

pratica la Domanda cationica indica

la presenza di sostanze organiche di

piccole dimensioni disciolte nel ciclo

(colloidi) chiamati generalmente

anionic trash (Fig.19). Queste

particelle hanno carica negativa e

quindi interferiscono con fibra per

l’utilizzo di specifici chimici (es.

resina umido resistente)

diminuendone l’efficienza. Fig.19

La prova si esegue ponendo 100 ml di campione filtrato mediante filtro di carta assorbente su un

imbuto sovrastante un cilindro di plastica. Si avvina la cella con campione da analizzare e si svuota.

Si titola il campione di 10 ml con soluzione Polyoladmac (cationico) goccia a goccia (contenuta in

una siringa da 1mm) fino a quando il valore indicato in mV non arrivi a 0. Si divide il volume di

titolante erogato dalla siringa per il volume iniziale del campione e dopo si moltiplica il risultato

ottenuto per 1000 ottenendo così un valore espresso in microequivalenti per litro come da standard.

5. Potenziale Z

Il potenziale Z è Il potenziale elettrico dell’impasto. Il potenziale Zeta è utilizzato per rilevare la

presenza di sostanze organiche disciolte nelle acque di processo (fibra,fibrille,fini). Il Mutek è lo

strumento di misura di questo parametro. Lo strumento misura la differenza di potenziale (mV) che

si forma tra i due elettrodi posti nella sezione a cono che viene riempita da fibra,fibrille e fini

Fig.18

Fig.18

20

durante l’aspirazione del campione e prima del filtro che lascia passare soltanto la parte liquida del

campione. In breve questo strumento analizza la fibra; un valore negativo nel nostro caso indica le

condizioni favorevoli per fissare sulla fibra i prodotti chimici cationici (la fibra è anionica, cioè con

valore di differenza di potenziale negativo).Questo test indica la ricettività (sensibilità) della fibra

rispetto a determinati additivi chimici con carica cationica (Es. resina umido resistente).

6.Durezza delle acqua

Un altro parametro analitico che ci è

stato spiegato dall’ingegner chimico

Giuseppe Liuzzo è quello della misura

della durezza sull’acqua. Per durezza

dell'acqua si intende un valore che

esprime il contenuto totale di ioni di

calcio e magnesio (provenienti dalla

presenza di sali solubili nell'acqua)

oltre che di eventuali metalli pesanti

presenti nell'acqua. La durezza si

misura in gradi francesi (1° f = 10 mg

CaCO3/L = 10 ppm). La misura della

durezza viene effettuata in modo

preciso titolando (misurando il “titolo”,

ovvero il volume) il campione di acqua

con una soluzione di acido

etilendiamminotetraacetico (EDTA)

(Fig.20) a concentrazione esattamente

nota in presenza di nero eriocromo

T (NET), un indicatore che forma un

complesso di colore rosa con gli ioni di

calcio e magnesio utile ad identificare

la fine della reazione.

Fig.20

7. Ritenzione

La ritenzione indica la quantità di materiali solidi presenti nell’impasto che restano sulla tela di

formazione e quindi nel foglio di carta, rispetto alla quantità totale distribuita dalla cassa d’afflusso.

Detta ritenzione di primo passaggio è quella che gli operatori misurano in cartiera e riassumibile

dalla seguente formula:

Quantità ritenuta sulla tela

Ritenzione di primo passaggio % = - x 100

Quantità in cassa d’afflusso

In realtà non è altro che il rapporto tra la differenza della consistenza in cassa d’afflusso e la

consistenza delle acque del sottotela e la consistenza in cassa d’afflusso. Si sente comunque parlare

anche di ritenzione totale della macchina continua che esprime il rapporto tra la quantità di fibra

secca inviata alla cassa d’afflusso e la quantità di carta che è arrotolata al pope.

L’aumento della ritenzione comporta alcuni effetti: migliore formazione della carta (la quale se

osservata in controluce non presenterà il fenomeno della flocculazione ovvero zone in cui vi è una

21

distribuzione delle fibre non omogenea), maggiore resistenza (grazie al fatto che vi sono maggiori

legami ponte a idrogeno tra le fibre), migliore stampabilità, si riduce il consumo di prodotti chimici

e fini, acqua di processo più pulita e minore consumo energetico. Nel mondo cartaio è importante

distinguere due tipi di ritenzione:

a) meccanica;

b) chimica.

a) Ritenzione meccanica

Con il termine “ritenzione meccanica” si intende la corretta regolazione di tutte le variabili presenti

nel ciclo che possono modificare la capacità del sistema fibroso di fare “filtrazione meccanica”

trattenendo così le particelle solide sospese con dimensione maggiore di 1-2 micron. La tipologia

delle fibre e la raffinazione sono già la base di partenza per avere l’effetto di “filtrazione

meccanica”. La misurazione della raffinazione ci insegna infatti che un feltro fibroso “chiuso”

aumenta la capacità di fare “filtrazione meccanica” aumentando la ritenzione e diminuendo la

scolantentezza.

b ) Ritenzione chimica

Durante la formazione del foglio gli elementi fini dell’impasto, sia fibrosi che minerali, tendono a

passare attraverso l’intreccio fibroso e le maglie della tela di formazione dando origine al fenomeno

del “Doppio viso”, cioè ad una distribuzione non uniforme degli elementi fini nella direzione dello

spessore del foglio stesso. I fattori che possono influenzare la ritenzione sono molti come ad

esempio: la velocità della macchina continua, un aspirazione non omogenea nella zona di

formazione del foglio. Una bassa ritenzione causa quindi un accumulo di elementi fini nelle acque

del sottotela che va a pesare negativamente non solo sulle prestazioni della macchina, ma anche

sull’impianto di depurazione delle acque, ma soprattutto induce costi maggiori per la Cartiera

stessa. Per fare in modo di contenere questi inconvenienti, oltre che ad una corretta gestione del

drenaggio meccanico, si fa ricorso a prodotti chimici che usati come additivi all’impasto

favoriscono una buona ritenzione.

8. Solidi sospesi totali

Si tratta di una prova che viene effettuata sulle acque naturali o di scarico. Il test si basa su una

filtrazione: un filtro di carta (prima messo in stufa per un ora) viene pesato e posto sopra un imbuto

che presenta tanti piccoli fori per far passare in una beuta i 100 ml di acqua che si vogliano

analizzare. L’ampolla è a sua volta collegata ad una pompa aspirante che per mezzo del sottovuoto

accelera la prova di filtrazione. Versato il quantitativo di acqua si prende il filtro e si mette in stufa

alla temperatura di 105 °C circa per almeno un’ora. Dopo si pesa il filtro con la bilancia . Di nuovo si rimette il filtro in stufa per un’ora e lo si ripesa. Il procedimento va ripetuto tre volte o più fin

tanto che il valore delle pesate risulti stabile. Una volta che la pesata è stabile (tutta l’acqua è

evaporata) si calcola il valore dei solidi sospesi sottraendo al peso finale del filtro il suo peso

iniziale (in grammi), dividendo tale valore per il volume di acqua filtrata (in ml) e moltiplicando il

tutto per 106. In questo modo si ottiene un valore finale espresso in mg/l come da standard.

5. Raffinazione

La raffinazione è quel processo in cui si verifica uno schiacciamento della sospensione fibrosa tra

piastre metalliche (lame del rotore e dello statore del raffinatore) con lo scopo di modificare le

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caratteristiche di forma e struttura delle fibre. È un processo

che incrementa la capacità della fibre di creare legami con

altre fibre tramite due processi:

1. fibrillazione (superficiale);

2. idratazione (interna).

Grazie alla fibrillazione (Fig.21) si crea una superficie specifica maggiore nella carta e con

l’idratazione si ha una migliore elasticità della fibra che di conseguenza comporterà ad un

maggiore effetto legante con le altre fibre.

La carta dunque si crea per un’interazione chimica.

Esistono due tipi di raffinazione:

1. magra, quando si lavora a consistenze d’impasto inferiori al 3%(su 100 grammi solamente 3

grammi di fibra e 97 di acqua);

2. grassa, quando si lavora a consistenze d’impasto superiore al 3,5%

1. Raffinazione magra

Con la raffinazione magra si ha una scarsa fibrillazione, un elevato effetto di taglio della fibra che

produrrà basse resistenze meccaniche, un maggiore volume e assorbimento della carta ed un minor

consumo energetico.

2. Raffinazione grassa

La raffinazione grassa produce una buona fibrillazione, un effetto di taglio non troppo spinto

(dipende anche da quante volte l’impasto fibroso viene raffinato), maggiore grado di idratazione

della fibra, buone caratteristiche meccaniche della carta ed un maggior consumo energetico.

I fattori che influenzano la raffinazione sono:

- temperatura, che non deve essere superiore a 45 °C;

- pH tra 7-8, poiché se è inferiore di 5,5 il lume della fibra ostruisce la penetrazione

dell’acqua, scarsa fibrillazione e minori performance meccaniche mentre se è superiore a 9

la fibra è più scivolosa, maggiore effetto di fibrillazione e più resistenze meccaniche;

- tempo di raffinazione, si deve stare attenti perché raffinando per un tempo maggiore c’è più

probabilità che maggiori fibre vengano fibrillate, ma anche la possibilità che le stesse fibre

siano ulteriormente fibrillate producendo così un effetto di taglio.

Per controllare che il processo di raffinazione stia procedendo nel miglior modo possibile viene

fatto un’analisi sui gradi shopper dell’impasto dopo il raffinatore e un controllo delle performance

meccaniche della carta. Di solito l’impasto di fibra hardwood (fibra corta) deve presentare un valore

di gradi shopper compreso tra 30-32 mentre una sospensione di fibra lunga (softwood) un valore tra

22-26 gradi shopper.

6. Conclusioni

Dopo aver mostrato i complessi processi della automazione, energetici e chimici, pare opportuna

un’ultima nota conclusiva relativa alle finalità di quanto descritto. Abbiamo visto come

Fig.21

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l’automazione serva, in primo luogo, a garantire un funzionamento auto-sufficiente del processo di

produzione (o di una sua parte) e come, in secondo luogo, abbia un importante significato dal punto

di vista strategico industriale. In effetti, se per fare “carta” servono i macchinari e gli impianti di

una cartiera, per fare un certo tipo di carta (es. tissue) bisogna conoscere i giusti parametri di

processo e produzione ed assicurarsi che tali parametri siano mantenuti nel tempo. Ma questo è

necessario solo per produrre la carta. Una volta prodotta la carta entrano in gioco tutte le strategie di

ottimizzazione della produttività, qualità, ambientali ed energetiche necessarie a rendere

competitivo il prodotto e, in definitiva, ad operare con successo nel mercato cartario.