TECHNOLOGIE & ENVIRONNEMENT

Actualités

>>> “les clés de l’audit certification iSo 45001” publié par afnor éditions

La première norme internationale ISO 45001 relative au management de la santé et de la sécurité au travail (S&ST) s’impose progressivement comme un cadre indispensable pour les organisations qui souhaitent agir efficacement sur ces sujets. Publié par l’Afnor et co-écrit par des experts en S&ST de ce groupe, cet ouvrage fournit une vision globale sur les principaux acquis, les renforcements et les nouveautés de l’ISO 45001. Dans une première partie, l’approche et la posture de l’auditeur sont présentées. Dans un second temps, l’ouvrage détaille les exigences de la norme, les questions à poser en audit, les modes de preuves possibles à collecter, ainsi que les enjeux de l’audit pour chaque exigence de la norme. Afnor Editions • 122 p. • 24,64 € HT • Parution en mars 2020 • groupe.afnor.org.

>>> infoS exPreSS

n Le Club des bioéconomistes, présidé par Claude Roy (chroniqueur pour notre magazine), a remis à jour son site web. Vous y trouverez notamment des présentations allégées et bilingues, une vidéo d’ouverture et 56 articles de fond qui permettent de comprendre l’importance et l’étendue de l’économie biosourcée. leclubdesbioeconomistes.com

internet industriel valmet lance une gamme comPlète de SolutionS…

Le constructeur finlandais a mis au point une gamme complète de nouvelles solutions d’Internet industrielles basées sur les données. Elle est destinée aux fabricants de pâtes, cartons, papiers, tissue, ainsi qu’aux producteurs d’énergie. Ces solutions Valmet Industrial Internet (VII) combinent des applications de surveillance et de prévision, des contrôles de processus avancés (APC), des simulateurs de processus dynamiques et des services à distance (Valmet Performance Centers). Cette offre a été créée afin de répondre aux besoins spécifiques de ces industries. Objectifs : utiliser efficacement les données et l’expertise de Valmet pour réduire la consommation d’énergie, améliorer l’efficacité chimique et environnementale, optimiser la qualité des pâtes et papiers, augmenter la fiabilité des processus, maximiser la production et permettre une gestion efficace du parc-machines. Les services à distance des huit “Performance Centers” de Valmet constituent un élément clé de ces solutions. Les clients peuvent collaborer avec les experts de ces centres, accéder aux applications d’Internet industriel, suivre leurs indicateurs de performance clés et consulter les rapports de performance via le “Valmet Customer Portal”.

rouleaux … et valmet a miS au Point deS revêtementS en matièreS PremièreS recycléeS

Valmet a conçu des revêtements de rouleaux à base de biomatériaux et de matériaux recyclés pour la fabrication des cartons, papiers, tissue et pâtes. Pour mettre au point ces revêtements composites pour rouleaux de presse, de guidage et de calandre, le fournisseur finlandais utilise une résine biosourcée et un durcisseur dans la matrice polymère. La fibre de renforcement et la charge proviennent de plastique et de verre recyclés. Selon le type de revêtement, la teneur en matières premières recyclées ou biosourcées est comprise entre 75 % et 96 %. Mais des nouveaux matériaux sont testés en continu, l’objectif étant d’atteindre 100 %. Valmet a défini des critères stricts pour la matière première utilisée dans ces revêtements. Seuls des matériaux renouvelables dérivés de plantes ou de parties de plantes non-alimentaires ont été retenus. La culture et la récolte des plantes ne doivent pas non plus mettre en danger la croissance des forêts naturelles. La lignine peut ainsi être utilisée comme charge de renforcement. « Dans le meilleur des cas, les matériaux biosourcés peuvent être produits à partir de parties de plantes qui seraient autrement des déchets, explique Jani Turunen, responsable R&D pour les revêtements de rouleaux polymères chez Valmet. Nos clients n’ont pas non plus à faire de compromis sur les performances des produits, car les résultats ont montré que dans certaines applications, les performances s’avèrent même supérieures à l’offre traditionnelle. »

Pâte Södra lance Son biométhanol commercial SanS foSSile et reçoit deux Prix lorS deS PPi awardS

Södra a construit la première usine au monde de biométhanol commercial, un combustible durable issu de la biomasse forestière, dans son usine de pâte de Mönsterås (Suède). Une première livraison pilote a été effectuée auprès d’un client danois, Emmelev, qui utilise ce biométhanol dans sa production de biodiesel. Le groupe a également reçu deux Prix lors des PPI Awards, qui ont été organisés dans le cadre de la conférence Fastmarkets RISI en mars. Le Prix dans la catégorie “Environmental Leadership” a récompensé OnceMore™ (recyclage des fibres textiles), cependant que la campagne “The Journey” a reçu le Prix “Marketing Campaign of the Year”. Ce Prix a été remis par notre groupe de presse, ENP Publishing-Paper First, un des sponsors de cet événement.

manifestation cePi a remiS SeS “euroPean blue Sky young reSearcherS & innovation awardS”

Dans le cadre de la Conférence “Paper & Beyond” qui s’est tenue à Bruxelles fin 2019, Cepi a organisé son traditionnel concours “European Blue Sky Young Researchers & Innovation Awards”. Trois étudiants sur huit finalistes ont été sélectionnés : Ville Rissanen (VTT, en Finlande), Marja Ahola (Université technique Darmstadt/Essity Operations, en Allemagne) ainsi que Birgit Lutsch (PTS, en Allemagne). Ces lauréats pourront concourir pour les “Blue Sky Awards”, compétition mondiale qui sera organisée par l’ICFPA en 2021.

Technologie & Environnement

Motorisation

Les solutions de Nidec Leroy-Somer pour l’usine Ahlstrom-Munksjö de Saint-Séverin

La papeterie d’Ahlstrom-Munksjö Specialties de Saint-Séverin a été récemment agrandie avec l’ajout d’une 4e ligne de production de papier sulfurisé véritable*. Toutes ces lignes sont entièrement équipées de motorisations fournies par Nidec Leroy-Somer.

>>> Repères

■ Fondée en 1973 au Japon, la société Nidec figure parmi les leaders mondiaux de la fabrication de moteurs. Elle compte plus de 300 filiales, emploie quelque 120.000 personnes et réalise un C.A. d’environ 13,7 Md$. Ses moteurs, variateurs, générateurs et autres produits sont utilisés dans un large éventail d’applications (ordinateurs, usines, robots, etc.). ■ Créée en 1919, Leroy-Somer est une entreprise française qui emploie près de 6.200 personnes de par le monde. Comptant parmi les leaders mondiaux dans les systèmes d’entraînement électromécaniques et électroniques, cette société revendique le leadership mondial dans les alternateurs industriels. Le site d’Ahlstrom-Munksjö à SaintSéverin (Charente) est spécialisé dans la fabrication de papiers sulfurisés véritables, utilisés dans des secteurs divers (agroalimentaire, électronique, aéronautique…), des marchés en forte croissance et sur lesquels l’usine exporte dans le monde entier.

MAÎTRISER L ’ OUTIL Du déroulage de la feuille au début de la ligne de sulfurisation à son enroulement, le papier défile à très grande vitesse entre les rouleaux d’acier, disposés dans quatre postes alignés sur une centaine de mètres (sulfurisation, séchage, finition et enroulage). La rotation de ces rouleaux doit être parfaitement synchronisée. Le moindre écart inattendu de vitesse, au niveau d’un seul de ces rouleaux, entraînerait une rupture de la bande et aurait donc un impact conséquent sur les coûts de production. Pour fabriquer un papier “high-tech” de

La bande de papier défile à très grande vitesse entre les rouleaux d’acier, disposés dans quatre postes (sulfurisation, séchage, finition et enroulage). Au total, des dizaines d’axes de rotation doivent être contrôlés avec une grande finesse et un haut niveau de synchronisation. grande qualité, il faut Les moteurs certes contrôler fine- et les ment des paramètres motoréducteurs, tels que le degré d’hy- qui assurent grométrie et la poro- la rotation sité. Mais les moteurs des rouleaux et les motoréducteurs, qui assurent la rotation des rouleaux d’entraînement, doivent présenter une grande d’entraînement, sont homogénéité de tout aussi importants fonctionnement. et doivent présenter une grande homogénéité de fonctionnement. Cette usine a choisi de concevoir et de fabriquer elle-même ses machines en s’appuyant sur des acteurs locaux. « Nous sommes soucieux de la qualité de nos produits et de la maîtrise de nos coûts, explique Gérard Giry, “Maintenance et Engineering Manager” du site. Nous nous devons d’avoir la maîtrise complète de notre chaîne de production. » C’est dans ce contexte que la solution propo- Nidec Leroysée par Nidec Leroy- Somer a été Somer s’est imposée. retenu pour les Ce fournisseur a été performances choisi pour les perfor- techniques de mances techniques de ses solutions, ses solutions d’entraî- en particulier nement électromécaniques, en particulier la gamme des motoréla gamme des motoréducteurs CB3000. ducteurs CB3000 sur la 4e ligne, récemment mise en service. Sa réactivité a également été appréciée. Par ailleurs, la notoriété de SEFI, son partenaire de proximité et distributeur français spécialiste de la transmission de puissance, a été déterminante. SEFI travaille en effet, dans les usines, avec les responsables des travaux neufs & de la maintenance et/ ou avec les directeurs de production. En outre, l’efficacité et le service du Centre de montage Nidec Leroy-Somer permettent d’accompagner clients, partenaires et dis-

Motorisation

Technologie & Environnement

Gérard Giry : « Depuis son intégration au sein de Nidec, Leroy-Somer a regagné sa capacité d’attention ; un état d'esprit qui se traduit par une excellente écoute du client. »

tributeurs dans le service qu’eux-mêmes fournissent, au quotidien, à leurs utilisateurs. « Pour garantir le soin et l’attention que nous souhaitons porter à nos clients, nous devons pouvoir compter pleinement sur nos fournisseurs, observe Gérard Giry. Depuis son intégration au sein de Nidec, Leroy-Somer a regagné sa capacité d’attention ; un état d'esprit qui se traduit par une excellente écoute du client. La fabrication de papier high-tech de grande qualité nécessite de pouvoir nous assurer d’une grande précision des systèmes d’automatisation, à l’échelle de nos machines et avec une grande finesse. »

LA SOLUTION TECHNIQUE Au cours de sa fabrication, la bande de papier – d’une laize de 2,50 m et d’une longueur de 200 m – traverse donc quatre grandes étapes. Elle entre à une extrémité de la ligne et une bobine (d’environ 3 t) s’enroule à l’autre extrémité (35 km de bande par bobine). Au total,

Les quelque des dizaines d’axes 180 rouleaux de rotation doivent d’entraînement être contrôlés avec qui équipent une grande finesse la ligne de sulfurisation doivent garantir la même vitesse et un haut niveau de synchronisation. Les quelque 180 d’avancée du rouleaux d’entraînepapier afin ment qui équipent la d’éviter toute ligne doivent garancasse. tir la même vitesse d’avancée du papier afin d’éviter toute casse. Les motoréducteurs de vitesse Compabloc 3000 à engrenages parallèles de Nidec Leroy-Somer permettent d’adapter la vitesse du moteur électrique à celle de la machine entraînée. La gamme complète comporte dix tailles. Parmi les caractéristiques techniques de cette famille de motoréducteurs, on retiendra : un moment nominal de sortie compris entre 10 N.m et 14.500 N.m, une puissance délivrée s’échelonnant de 0,06 à 110 kW, des rapports de réduction allant de 1,16 à 252 et un rendement élevé (entre 95 % et 98 %). Enfin, ces motoréducteurs sont également réversibles et appréciés pour leur fonctionnement silencieux. ■

(*) Cf. notre reportage sur cette usine dans “La Papeterie” n° 358, Décembre 2018-Janvier 2019, pp. 10/13.

>>> Une présence dans de nombreux secteurs

Les solutions de Nidec LeroySomer sont présentes dans toutes les industries dès lors qu’il s’agit de produire de l’énergie ou de transmettre un mouvement. Grâce à ses bureaux d’études, la société s’implique au cœur des métiers de ses clients, dès la conception des applications et des produits. Ainsi, Nidec LeroySomer adapte et personnalise ses gammes en intégrant les exigences du cahier des charges ou du process client (contrôle, autodiagnostic, communication, automatisme, surveillance…), les exigences de l’environnement de travail (humidité, corrosion, haute température…), les contraintes de la fonction machine (manutention, pompage, compression, ventilation…) ou encore les standards et les normes de l’industrie (papeterie, chimie…). La société a mis au point des nouvelles technologies dans de nombreux domaines (refroidissement des machines, haute vitesse, compatibilité électromagnétique, réduction des bruits et des vibrations, résistance mécanique des matériaux, etc.).

Les motoréducteurs de vitesse Compabloc 3000 à engrenages parallèles permettent d’adapter la vitesse du moteur électrique à celle de la machine entraînée.

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Séchage

Séchage des couches barrières : l’approche et les résultats de Compact Engineering

Compact Engineering a mis au point des lampes infrarouges spéciales qui permettent de sécher les couches barrières, en commençant par la couche de sédimentation initiale. Ce dispositif est particulièrement efficace sur le plan énergétique. Des vitesses de production élevées peuvent être obtenues, sans compromettre la qualité du papier. Cet article examine les principes physiques du séchage des couches, en particulier barrières. Il montre qu’un transfert de chaleur effectif et un transfert de masse efficace élargissent l’étroite fenêtre d’action des papetiers dans la production de papiers barrières. Un cas d’application pour le séchage d’une couche spéciale à base d’alcool polyvinylique est également présenté.

Le séchage de la couche représente un élément essentiel de la fabrication du papier. Des difficultés particulières surgissent lors du séchage des couches barrières, car le processus de séchage crée également l’effet barrière. S’il reste de l’eau sous le film formé à la surface de la couche, elle endommagera la surface dès qu’elle s’évaporera. Par conséquent, une courbe de séchage correcte est un élément essentiel du séchage des couches barrières. Dans la plupart des cas, la vitesse de production doit être considérablement réduite par rapport aux couches normales, car les couches barrières ont souvent une dépose humide très élevée. Dans des cas particuliers, la vitesse de production n’atteint qu’un tiers, voire un quart de la vitesse normale.

Le séchage optimisé des couches barrières à partir de la couche de sédimentation initiale évite la for-

Le séchage optimisé des mation précoce d’un film à la surface et toute l’eau peut être évaporée sans encouches barrières dommager ultérieurement la barrière. De à partir de plus, cette façon de sécher réduit nettela couche de ment la migration de phase liquide dans sédimentation le support et ainsi l’énergie nécessaire initiale évite pour le séchage. Et cela non seulement la formation sur couches barrières mais aussi convenprécoce d’un film à la surface. De plus, toute l’eau peut être tionnelles. Nous montrons les principes physiques du séchage et leur influence sur le séchage des barrières, mais aussi sur les évaporée sans couches en général ; nous montrons égaendommager lement comment la fenêtre de travail peut ultérieurement la être considérablement élargie, en particubarrière. lier en termes de vitesse de production.

INTRODUCTION De très longues hottes à air chaud sont souvent utilisées pour sécher les couches barrières afin de les chauffer lentement et d’empêcher la formation précoce d’un film en surface. Inconvénients : la taille des machines et la faible vitesse de production. La plupart des fabricants de papiers barrières ont déjà constaté que les émetteurs infrarouges (IR) alimentés au gaz sont contre-productifs. Les émetteurs IR électriques représentent l’outil de choix mais, là aussi, il existe différents concepts qui présentent des caractéristiques distinctes en matière d’efficacité énergétique. Compact Engineering a mis au point des lampes infrarouges spéciales qui permettent de sécher les couches, en commençant par la couche de sédimentation initiale, et qui sont particulièrement efficaces sur le plan énergétique. Avec les couches barrières, il est possible d’atteindre des vitesses de production élevées sans compromettre la qualité du papier. Le rapport coût-efficacité est similaire à celui des émetteurs IR fonctionnant au gaz. Cet article examine les principes physiques du séchage des couches, en particulier ceux des couches barrières. Il montre qu’un transfert de chaleur effectif et un transfert de masse efficace élargissent l’étroite fenêtre d’action des papetiers dans la production de papiers barrières. En outre, un cas d’application pour le séchage d’une couche spéciale à base d’alcool polyvinylique est présenté.

DIFFICULTÉS DE SÉCHAGE DES BARRIÈRES Les couches barrières sont particulièrement difficiles à sécher et les papetiers se plaignent souvent des petites fenêtres de fonctionnement de leurs coucheuses. Outre les difficultés du séchage normal de la couche, le problème réside dans le fait que le séchage active la barrière. Si la surface sèche trop rapidement, elle formera prématurément un film et l’eau ne pourra s’évaporer qu’à travers la barrière, ce qui provoquera des microbulles. C’est pourquoi le séchage avec des séchoirs à air chaud à basse température est devenu la méthode de production établie, dans laquelle la température de surface est maintenue basse au moyen de vitesses lentes et de longs séchoirs. Ainsi, la température dans la couche peut lentement s’égaliser. Cela permet d’éviter la formation précoce d’un film en surface au détriment d’une faible capacité de production. Les fabricants de papiers barrières ont déjà discuté du fait que les séchoirs à IR fonctionnant au gaz et installés devant les hottes à air chaud ne devraient pas être utilisés dans les coucheuses afin de ne pas altérer la qualité de la barrière. Toutefois, la plupart des utilisateurs ne connaissent pas les principes physiques en jeu.

Séchage

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PRINCIPES PHYSIQUES DU SÉCHAGE Le séchage est un processus en deux étapes : le transfert d’énergie vers la matière à sécher et le transfert de masse pendant laquelle le solvant est évaporé. Dans la fabrication et le couchage du papier, l’eau est utilisée comme solvant. Dans l’idéal, lorsque l’eau s’évapore, la majeure partie de l’énergie est retirée de la matière à sécher et la température de celle-ci diminue.

Le transfert d’énergie peut être opéré de différentes manières :

◗ Conduction. Dans la fabrication du papier, elle est généralement réalisée à l’aide de cylindres chauffés à la vapeur dont la surface chaude chauffe la matière à sécher par contact direct et ne peut être utilisée pour les couches qu’une fois qu’elles ont atteint leur extrait sec d’immobilisation. ◗ Radiation, généralement par IR. Le rayonnement est normalement la forme de transmission d’énergie la plus coûteuse, mais dans des applications spéciales, il est le plus efficace sur le plan énergétique. ◗ Convection, au moyen d’un émetteur tel que l’air dans un séchoir à air chaud.

■ Séchage de couche par air chaud Des hottes à air chaud sont utilisées après le poste de couchage, qui soufflent de l’air chaud et sec sur la surface du matériau à sécher et évacuent simultanément l’humidité. Lors du chauffage de la couche, il faut veiller à ce que la température augmente suffisamment lentement dans les hottes afin de contrôler la migration dans le substrat. Si la surface est chauffée trop rapidement, la phase liquide de la couche s’écoule dans le substrat, ce qui provoque des marbrures, de la poussière en surface (par manque de liant), etc. Avec le séchage barrière, l’augmentation de la température doit être plus lente qu’avec le séchage normal. L’énergie gagnée par la couche doit être proche de celle perdue par évaporation. Sinon, la surface de la couche se réchauffe trop rapidement, ce qui entraîne un séchage et une augmentation de la température au-dessus du point de formation du film. Une fois que le film est formé, le séchage s’arrête et l’eau restante est poussée à travers la couche barrière, ce qui provoque des microbulles. ■ Séchage de couche par radiation Pour le séchage des couches, des radiateurs IR sont fréquemment utilisés devant les hottes à air chaud afin d’immobiliser rapidement la couche et d’introduire de l’énergie sous la surface dans le matériau sec. Des émetteurs IR fonctionnant au gaz ou à l’électricité sont utilisés. ◗ Spectre de rayonnement de différents émetteurs IR (fig. 1) L’IR fait partie du spectre électromagnétique. Les différentes bandes d’ondes de l’IR sont déterminées par leurs longueurs d’onde qui, à leur tour, sont régies par la température de leur corps noir. Le rayonnement IR est généralement divisé en trois (parfois cinq) bandes d’ondes : • IR à ondes courtes : contiguës à la lumière visible à une longueur d’onde de 780 nm jusqu’à 2 µm, • IR à ondes moyennes : correspondant à des longueurs d’onde comprises entre 2 µm et 4 µm,

Fig. 1. Le spectre de rayonnement de Planck pour différents radiateurs à corps noir, avec le rayonnement spectral spécifique et la radiance spectrale. Jaune : rayonnement du soleil ; rouge : rayonnement de la Terre lors d’une journée ensoleillée.

• IR à ondes longues : entre 4 µm et 1 mm de longueur d’onde. À une exception près, les émetteurs IR électriques ont leur rayonnement maximal à une longueur d’onde de 1,18 µm dans le proche infrarouge, à une température de corps noir d’environ 2.450 K. Les radiateurs à gaz fonctionnent, selon la version, à des longueurs d’onde de pointe comprises entre 2,5 µm et 3,5 µm. Les émetteurs électriques optimisés de Compact ont leur puissance maximale dans l’IR à ondes courtes à une longueur d’onde de 1,45 µm, ce qui correspond à une température d’environ 2.000 K. Plus la longueur d’onde est courte, plus l’intensité du rayonnement, qui, selon la loi de Stefan-Boltzmann, augmente avec la quatrième puissance de la température absolue, est élevée. Un doublement de la température signifie une densité de rayonnement seize fois plus élevée. Une température plus haute entraînerait donc un meilleur séchage si l’absorption des infrarouges n’avait pas d’importance. ◗ Absorption des radiations Elle n’est que la première des quatre étapes du processus de séchage. L’absorption du rayonnement par le substrat et la couche fournit l’énergie nécessaire au séchage. L'infrarouge à la bonne longueur d'onde stimule les liaisons intramoléculaires dans la couche, l'eau et le substrat.

Fig. 2. Absorption du rayonnement IR par une fine couche d’eau et par du papier de base1 .

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Séchage

En 1991, Helmut Graab a publié l’absorption du rayonnement IR par une couche d’eau d’une épaisseur de 10 µm et un papier de base de couchage, en comparant différents systèmes d’émetteurs dans le séchage de la couche. La fig. 2 montre que l’eau présente une très forte absorption à une longueur d’onde d’environ 3,25 µm et 6,10 µm. Dans le domaine du proche infrarouge, le pic à 1,45 µm est absent de son graphique, mais il est répertorié pour le substrat. Des publications ultérieures montrent également ce pic dans le domaine du proche infrarouge (fig. 3).

Fig. 3. Absorption du rayonnement IR par l’eau en fonction de la longueur d’onde 2, 3, 4, 5 .

Pour le séchage des couches barrières, les bonnes longueurs d’ondes IR doivent fournir un mélange d’absorption et de pénétration de l’énergie à la feuille. La longueur d’onde de crête idéale est de 1,45 µm.

◗ Pénétration des radiations dans la couche et le substrat À 1,45 µm, le rayonnement est capable de pénétrer la couche et de chauffer la feuille située en dessous. Cela empêche la migration vers la feuille et garantit que la couche commence à sécher à partir de l’interface couche/feuille. L’évaporation continue de la surface de la couche garde la surface fraîche et les couches barrières ouvertes pour une plus grande évaporation. La relation longueur d’onde/pénétration est décrite dans la loi de Lambert-Beer et illustrée dans les fig. 4 et 5 pour certaines longueurs d’onde. La fig. 4 montre très clairement que la lumière rouge (780 nm) à la limite de l’IR pénètre très profondément dans l’eau et est à peine absorbée. La lumière IR d’une longueur d’onde de 1.180 nm – sur laquelle les émetteurs électriques commerciaux émettent leur maximum – pénètre également très profondément. À une profondeur de 860 µm, seulement 15 % du rayonnement est absorbé et transformé en chaleur. 80 % du rayonnement des radiateurs électriques optimisés, qui ont une puissance maximale à une longueur d’onde de 1.450 nm, est absorbé par une profondeur de 310 µm. La fig. 5 montre la pénétration de certaines longueurs d’onde du rayonnement IR dans les 20 premiers µm de profondeur. Il est clairement démontré que 80 % de l’IR à ondes moyennes d’une longueur d’onde de 2.950 nm est déjà absorbé à une profondeur de 0,7 µm. Au 2e pic pertinent de l’IR d’ondes moyennes, émises par les émetteurs IR à gaz, à 6,1 µm, 80 % du rayonnement est absorbé à une profondeur de 3,6 µm. Au 3e pic du spectre MIR, à une longueur d’onde de 4.650 nm, 80 % du rayonnement est absorbé dans les premiers 17,3 µm. En moyenne, 80 % de l’énergie des radiateurs IR à gaz est absorbée dans les trois premiers µm. En pratique, cela entraîne un fort réchauffement de la surface de la couche. Le rayonnement ne peut pas pénétrer très profondément, de sorte que le substrat reste pratiquement non chauffé. Avec une couche barrière à base de PVA de 15 à 20 g/m2 de dépose humide, seuls les 15 à 20 % supérieurs de la couche sont chauffés. Cela entraîne un séchage et un chauffage rapides et donc la formation précoce d’un film sur la surface. Toute eau restant dans la couche ou la feuille va rompre la couche et détruire la barrière.

Fig. 4. Profondeur de pénétration et absorption du rayonnement IR par l’eau pour certaines longueurs d’onde des émetteurs électriques conventionnels et optimisés, profondeur de pénétration 1.000 µm. Fig. 5. Profondeur de pénétration et absorption du rayonnement IR par l’eau pour certaines longueurs d’onde des émetteurs à gaz à une profondeur de pénétration de 20 µm.

◗ Évaporation efficace Le simple fait de chauffer la feuille ne suffit pas à la faire sécher. Pour qu’il y ait séchage, la vapeur d’eau doit être éliminée. Une très fine couche laminaire repose sur la feuille, qui se déplace avec la bande à une vitesse proche de celle de la production. Si cette couche est saturée de vapeur d’eau, le séchage s’arrête et la feuille se réchauffe. Il est essentiel d’enlever cette couche laminaire avec de l’air turbulent pour éliminer le plus de vapeur d’eau possible.

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SÉCHAGE DES BARRIÈRES SANS MICROBULLES

Pour une immobilisation rapide de la couche de sédimentation initiale, une grande partie de l’énergie doit être émise à des longueurs d’onde comprises entre 1,4 µm et 1,8 µm, afin que la couche soit séchée par en dessous pour éviter la formation prématurée d’un film. Si le support est chauffé efficacement, le séchage de la barrière (comme toute autre couche) commence à partir de la couche de sédiments initiale. La formation du film de la barrière n’est achevée que lorsque l’eau s’est évaporée et que la température augmente. Cela

Les séchoirs se produit en dernier lieu à la surface XenTec de de la couche. Les sécheurs doivent être

Compact Engineering sont conçus capables d’évaporer suffisamment de vapeur d’eau pour dissiper la chaleur pour qu’à pleine absorbée afin d’empêcher une élévation charge, l’énergie de la température pour former un film, maximale soit quelle que soit l’humidité. De plus, cela libérée à une minimise la migration de la phase liquide longueur d’onde de la sauce de couchage, réduisant la de 1,45 µm. consommation de cette sauce.

Compact Engineering a développé ses séchoirs XenTec. Ils sont conçus pour qu’à pleine charge, l’énergie maximale soit libérée à une longueur d’onde de 1,45 µm. Les pertes à des longueurs d’onde inférieures à 1,3 µm sont réduites au minimum, tout en garantissant une pénétration très profonde dans le substrat. En général, les trois quarts ou plus de l’énergie chauffent le substrat. Par rapport aux lampes électriques classiques, qui ne sont efficaces qu’à environ 35 % pour chauffer la feuille, les lampes XenTec convertissent bien plus de 60 % de l’énergie électrique utilisée pour transférer la chaleur au substrat et à la couche. Dans le même temps, la couche limite laminaire est remplacée par de l’air chaud et sec avant que l’énergie radiante ne soit appliquée afin d’augmenter l’évaporation. Sous l’émetteur, la couche laminaire est perturbée par les turbulences de l’air d’impact et à nouveau remplacée directement après l’émetteur. La saturation de la couche limite laminaire est ainsi évitée. L’évaporation rapide contribue au refroidissement de la couche, de sorte que même les couches difficiles – telles que les thermiques – ne sont pas chauffées au-dessus d’une température critique mais refroidies par l’enthalpie d’évaporation, ceci malgré la densité énergétique extrêmement élevée des radiateurs. Pour optimiser la rentabilité, ce séchoir XenTec est idéalement placé comme “booster” devant les hottes à air chaud afin de faciliter leur travail et de laisser l’évaporation principale à l’air chaud, plus économique.

CAS D ’ APPLICATION : COUCHE BARRIÈRE À BASE DE PVA Une couche barrière typique à base de PVA à haute viscosité avec une dépose de 1,2 g/m2 et un extrait sec de 8 % – donc une dépose humide de 15 g/m2 et une épaisseur de couche d’environ 15 µm – doit être séchée. La coucheuse dispose de plusieurs têtes de couchage sur les deux faces du papier. Jusqu’à présent, seuls de longs séchoirs à air chaud ont été utilisés. Néanmoins, le séchage de la couche barrière représente le goulot d’étranglement. Dans certains cas, la vitesse de production est de 60 à 70 % inférieure à celle des couches normales. Un séchoir et contre-réflecteur XenTec Apollo a été utilisé comme “booster” entre le poste de couchage et les hottes à air chaud. Un peu plus de 50 cm d’espace d’installation est nécessaire dans le sens de la machine. Le XenTec Apollo présente une puissance de 160 kW/m et s’évapore autant que les lampes IR classiques avec une puissance de 320 à 350 kW/m. Ceci a été précédé par diverses expériences avec des émetteurs IR afin d’augmenter les performances. On savait que les brûleurs à gaz étaient désavantageux. Avec un émetteur électrique classique, la vitesse pourrait être augmentée de 3 %. À un rendement plus élevé, la qualité du papier était altérée car cet émetteur ne permettait pas l’évaporation immédiate de l’eau. Pour une période de remboursement raisonnable, la vitesse aurait dû être augmentée d’au moins 5 %. Avec le XenTec Apollo, une augmentation de la vitesse de production de 8,8 % et 12,5 % a été obtenue, à 91 kW/m et 115 kW/m respectivement (fig. 6). La qualité globale a également été améliorée (fig. 7).

Fig. 6. Gain de vitesse avec le XenTec Apollo comme “booster” devant les hottes à air chaud.

Fig. 7. Amélioration de la qualité par le séchage à partir de la couche de sédiments initiale et la prévention d’un filmage prématuré de la surface.

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Séchage

Cela est dû à la courbe de température pendant le séchage : la température maximale est restée de 3 à 9 °C en dessous de la température atteinte avec l’utilisation exclusive de hottes de séchage. L’humidité a également été réduite de 0,5 %. Signe que la vitesse de production peut encore être augmentée, mais des “boosters” doivent maintenant être utilisés à cette fin sur les autres têtes de couchage.

Fig. 8. Le chauffage du substrat facilite le travail des hottes à air chaud. Celles-ci peuvent évaporer beaucoup mieux si l’on commence le séchage à partir de la couche de sédimentation initiale. Une évaporation efficace refroidit la couche.

Le point critique est le séchage précoce de la couche pendant la phase de réchauffement. La thermographie d’une installation expérimentale (fig. 9) montre clairement qu’un apport énergétique élevé – et donc une performance d’évaporation – est possible si la chaleur est extraite de la couche et du substrat le plus rapidement possible. Avec un concept de séchage approprié, il est même possible d’obtenir une température nettement inférieure à la bobine (fig. 8) et d’éviter le blocage, ce qui est particulièrement fréquent avec les papiers barrières thermo-soudables. Cela empêche la formation précoce d’un film et donc l’endommagement de la barrière. L’analyse thermique montre que le XenTec Apollo ne chauffe la couche que d’environ 9 °C, malgré l’apport énergétique élevé. Dans cet exemple, cela signifie une augmentation de la vitesse de production d’un impressionnant 20 %. Ceci est assuré par le séchage de la couche de sédiments initiale, qui permet à l’eau chauffée de s’évaporer de la surface de façon optimale.

RÉSUMÉ Dans la production de papiers barrières, les défis résident dans les restrictions Idéalement, le séchoir à IR de séchage et la petite fenêtre de approprié est fonctionnement des coucheuses. Le utilisé comme séchage des barrières entraîne leur “booster” devant pelliculage et donc une réduction de les hottes à la perméabilité à l’eau et à la vapeur. Si air chaud. Cela les conditions physiques mentionnées permet d’obtenir sont correctement mises en œuvre, des vitesses elles étendent considérablement la fenêtre de fonctionnement. de production plus élevées, un meilleur rapport En choisissant la bonne longueur d’onde coût-efficacité et donc la profondeur de pénétration et et des propriétés l’absorption optimales du rayonnement, optimales du ainsi que l’élimination simultanée de l’eau papier. évaporée, les barrières sont séchées de leur couche de sédimentation initiale, ce qui permet d’éviter un filmage prématuré de la surface. Idéalement, le séchoir à IR approprié est utilisé comme “booster” devant les hottes à air chaud. Cela permet d’obtenir des vitesses de production plus élevées, un meilleur rapport coût-efficacité et des propriétés optimales du papier.

WOLF HEILMANN, Wolf Heilmann Produkte für die Papiererzeugung

(Augsburg)

TIM KLEMZ, Compact Engineering Ltd

(Thirsk)

Fig. 9. Thermographie d’une installation d’essai avec XenTec Apollo comme “booster” après une couche barrière. (1) Graab, Helmut : “Einfluss der Strahlertemperatur von Infrarotstrahlern auf die Trockenleistung”, Wochenblatt für Papierfabrikation 19, 1991 (2) Hale, G. M. et Querry, M.R. : “Optical constants of water in the 200 nm to 200 µm wavelength region,” Appl. Opt. 12, 555-563 (1973) (3) Irvine, W.M. et Pollack, J.B. : “Infrared optical properties of water and ice spheres”, Icarus, 8, 324-360 (1968) (4) Segelstein, D.J. : “The complex refractive index of water”, Université du Missouri-Kansas City (1981) (5) Zolotarev, V.M., Mikhilov, B.A., Alperovich, L.L. et Popov, S.I. : “Dispersion and absorption of liquid water in the infrared and radioregions of the spectrum”, Optics and Spectroscopy, 27, 430-432 (1969)

Etude

Technologie & Environnement

Sac papier vs sac plastique : match nul pour la durée de conservation

Les sacs en papier et en polyéthylène FFS (form-fill-seal) offrent une protection équivalente au ciment lorsqu’ils sont stockés pendant 18 mois dans des conditions identiques. C’est la conclusion d’une étude menée par l’organisme de recherche norvégien Sintef à la demande de l’ESG, groupe européen de recherche sur les sacs papier, fruit d’une coopération entre CEPI Eurokraft et Eurosac.

Photo d’un entrepôt de Sika, en Allemagne.

«Le ciment durcissant au contact de l’eau, l’emballage doit impérativement et parfaitement protéger le produit lors de son stockage prolongé afi n de préserver sa qualité et ses propriétés, explique Catherine Kerninon, déléguée générale d’Eurosac, la fédération européenne des fabricants de sacs papier à grande contenance. Pour être assurés que notre industrie répond aux exigences des producteurs de ciment et qu’elle a sa place sur le marché pour emballer ce produit, nous avons étudié la durée de conservation offerte par les deux solutions de sacs les plus utilisées : le papier et le plastique. » Au sein de l’ESG, groupe européen de recherche sur les sacs en papier, les parties prenantes affi rmaient en effet que les sacs en plastique offraient une meilleure durée de conservation que leurs équivalents en papier. Cette étude a examiné les modèles classiques de ces types de sacs, d’une contenance de 25 kg dans les deux cas. D’une part, un sac papier standard à valve, constitué de deux couches de papier (80 g/m2 et 70 g/m2), avec un fi lm barrière en polyéthylène haute densité (PEHD) de 12 µm. D’autre part, un sac plastique standard composé de trois couches de fi lm PE COEX (PEBD, PEHD et PEBDL) d’une épaisseur totale de 120 µm.

Les sacs ont été remplis de ciment identique et stockés dans un entrepôt extérieur, en Norvège. Les conditions climatiques étaient fl uctuantes et extrêmes.

CONDITIONS DE L ’ÉTUDE Trois sacs de chaque type ont été remplis de ciment identique et stockés dans un entrepôt extérieur, en Norvège. Les fl uctuations climatiques étaient extrêmes : les températures ont varié entre - 17,9 °C et 32,1 °C et l’humidité relative entre 28 % et 96 % (échantillonnage aléatoire pour l’humidité). Les sacs étaient empilés sur une palette en bois et recouverts d’une housse en plastique. Soit une situation d’entreposage typique. « Bien que la durée moyenne de stockage du ciment en sac n’excède pas deux à trois mois en Europe, nous souhaitions ici déterminer la performance des sacs sur des durées plus longues, au-delà de 18 mois, précise Catherine Kerninon. Un sac de chaque type a été analysé au bout de trois périodes différentes. » Après prélèvement des échantillons et homogénéisation du ciment, les échantillons ont été soumis à différentes méthodes de test normalisées afi n de mesurer la qualité du ciment après chaque période de stockage.

RÉSULTATS Poids total, niveau d’hydratation, résistance du mortier, comportement de l’écoulement initial ou de la résistance à la compression à 28 jours… : la qualité et la performance du ciment prélevé à différents moments sur les deux types de sacs ont répondu aux exigences de l’industrie cimentière. Par exemple, les tests calorimétriques ont montré que les niveaux d’hydratation dans les 24 heures restaient essentiellement inchangés. En outre, la chaleur cumulée dégagée par l’hydratation après 24 heures – qui correspond à la résistance du mortier sur ce laps de temps – se situait dans les limites de la répétabilité standard (5-7 J/g) sur tous les échantillons testés. Par ailleurs, les sacs papier offrent de grands bénéfi ces environnementaux. Selon les résultats d’une autre étude réalisée par l’institut de recherche suédois RISE, leur empreinte carbone est 2,5 fois plus faible que celle des sacs en plastique*. « Les sacs papier représentent une solution d’emballage effi cace et durable pour les matériaux en poudre et en vrac comme le ciment, conclut Catherine Kerninon. Pour profi ter pleinement de ces propriétés, nous avons publié des recommandations sur la façon de manipuler correctement les sacs industriels en papier tout au long de la chaîne d’approvisionnement. » La seconde partie de ce document informe également les fournisseurs et les revendeurs sur les risques et sur les meilleures pratiques à mettre en œuvre pendant la distribution et le stockage. ■

(*) Cf. article sur l’impact comparé du sac plastique et du sac papier sur l’environnement dans “La Papeterie” n° 357, Octobre-Novembre 2018, pp. 72/73. ◗ CEPI Eurokraft est l’Association européenne des producteurs de papier kraft pour sacs et pour d’autres emballages. www.cepi-eurokraft.org ◗ Eurosac est la Fédération européenne des fabricants de sacs papier à grande contenance. www.eurosac.org