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Título: Otimização de processos na indústria de papel e celulose: predição do número Kappa por redes neurais recorrentes
Título(s) alternativo(s): Optimization of processes in the pulp and paper industry: prediction of the Kappa number using recurrent neural networks
Autor(es): Pinheiro, Gabriel Spironelli
Orientador(es): Bezerra, Felipi Luiz de Assunção
Palavras-chave: Redes neurais (Computação)
Aprendizado do computador
Análise preditiva
Papel - Indústria
Neural networks (Computer science)
Machine Learning
Predictive analytics
Paper industry
Data do documento: 3-Jul-2025
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Londrina
Citação: PINHEIRO, Gabriel Spironelli. Otimização de processos na indústria de papel e celulose: predição do número Kappa por redes neurais recorrentes. 2025. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Química) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Londrina, 2025.
Resumo: O número Kappa é um parâmetro crítico no controle de qualidade da polpa de fibras na indústria de papel e celulose, estando diretamente associado ao teor residual de lignina após o processo de cozimento Kraft. Métodos convencionais de determinação do número Kappa, apesar de amplamente utilizados, apresentam limitações significativas, incluindo elevado tempo de resposta e imprecisões decorrentes da oxidação de substâncias não lignínicas. Neste contexto, o objetivo geral deste trabalho é desenvolver um modelo preditivo inovador baseado em Redes Neurais Recorrentes (RNNs) para estimar, de maneira precisa e contínua, o número Kappa em digestores contínuos Kamyr da unidade industrial da Klabin. Como objetivos específicos, este estudo visa identificar variáveis operacionais relevantes, desenvolver modelos específicos para as polpas K2 e K3 utilizando as arquiteturas LSTM e GRU, avaliar comparativamente o desempenho desses modelos por meio de métricas quantitativas, e implementar a solução preditiva no sistema PI Vision™. Para isso, foram coletados e analisados dados operacionais históricos durante aproximadamente um ano de operação industrial. O modelo baseado em redes LSTM apresentou coeficiente de determinação (R²) de 0,8698 para a polpa K2, enquanto o modelo com arquitetura GRU bidirecional para a polpa K3 obteve um R² de 0,849, demonstrando a eficácia das RNNs em capturar a dinâmica complexa e não linear do processo Kraft. Os resultados confirmam a robustez e aplicabilidade prática da metodologia proposta, possibilitando maior estabilidade operacional, otimização no uso de insumos e melhoria contínua na qualidade da polpa celulósica.
Abstract: The Kappa number is a critical parameter for fiber pulp quality control in the pulp and paper industry, directly related to residual lignin content after the Kraft cooking process. Traditional methods to determine the Kappa number, although widely employed, exhibit substantial limitations, including long response times and inaccuracies due to the oxidation of non-lignin compounds. Given this context, this study aims to develop an innovative predictive model based on Recurrent Neural Networks (RNNs) to estimate the Kappa number accurately and continuously in Kamyr continuous digesters at Klabin's industrial plant. The specific objectives include identifying relevant operational variables through Pearson correlation analysis, developing tailored prediction models for K2 and K3 pulps using LSTM and GRU architectures, evaluating model performance comparatively using quantitative metrics, and implementing the predictive solution within the industrial PI Vision™ system. For this purpose, historical operational data spanning approximately one year of industrial operation were collected and analyzed. The LSTM-based model achieved a determination coefficient (R²) of 0.8698 for K2 pulp, while the bidirectional GRU architecture model reached an R² of 0.849 for K3 pulp, demonstrating the effectiveness of RNNs in capturing the complex, nonlinear dynamics inherent to the Kraft process. Results confirm the robustness and practical applicability of the proposed methodology, enabling enhanced operational stability, optimized use of chemical inputs, and continuous improvement in pulp quality.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/38136
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