Silos de azúcar: resolución y prevención de problemas de flujo

El azúcar cristalizado se almacena con frecuencia en grandes silos (>30 m)³ que son abastecidos por camiones o vagones de ferrocarril. Muchos problemas de apelmazamiento, formación de terrones, y en general, dificultades de flujo en la descarga del silo, son experimentados por las fábricas. Esta página se centra en las causas raíz de los bloqueos de flujo de azúcar en silos de operadores de plantas que reciben azúcar de un proveedor, y cómo resolverlos y prevenirlos. Esta página no trata sobre los silos de acondicionamiento utilizados por fábricas productoras de azúcar (refinerías), aunque algunos de los conceptos presentados también pueden aplicarse a esos silos en particular.

1. Problemas de flujo de azúcar en silos

¿Cuáles son los problemas observados en los silos de azúcar?

El problema más extendido reportado por fábricas en todo el mundo que operan silos de azúcar es el apelmazamiento (formación de terrones) del azúcar almacenado, lo que conduce a problemas de flujo, calidad, reducción de la capacidad de almacenamiento y producción de la planta, y en algunos casos, problemas de seguridad.

El azúcar, en ciertas condiciones, tiene la capacidad de formar terrones, que pueden endurecerse y crecer con el tiempo. En casos extremos, se pueden encontrar bloques de varias decenas de cm en los silos, típicamente a lo largo de las paredes. Este azúcar endurecido no puede extraerse fácilmente del silo. La presencia de estos grandes terrones reduce el volumen útil del silo, puede causar bloqueos si los terrones caen y obstruyen la salida. En ciertos casos, si un bloque muy grande cae repentinamente, incluso puede dañar la estructura del silo al impactar en el cono.

Figura 1: ejemplo de presencia de bloques de azúcar en un silo

Comprender cómo se produce el apelmazamiento del azúcar en un silo y prevenirlo es crucial para que los operadores de plantas garanticen una producción segura y confiable.

2. Causas raíz del apelmazamiento del azúcar

¿Por qué el azúcar forma terrones en los silos?

La principal causa raíz del apelmazamiento del azúcar en silos es la humedad transferida dentro del lecho de material, ocurriendo especialmente cerca de las paredes de los silos, y se ve agravada por otros factores como un patrón de flujo incorrecto en el silo.

2.1 Humedad

El azúcar cargado en el silo tiene un cierto nivel de humedad. Este nivel generalmente no es un problema para el azúcar en sí, pero una vez cargado en el silo, si las paredes del silo se enfrían lo suficiente (por ejemplo, durante la noche en temporada fría), la temperatura cerca de las paredes puede caer por debajo del punto de rocío [Linek] y puede ocurrir condensación en la zona cercana a la pared. Como el azúcar es soluble en agua, pequeñas partes se disuelven; cuando se seca de nuevo, por ejemplo cuando el sol calienta el silo, el agua se evapora y el azúcar cristaliza, creando enlaces sólidos entre las partículas de azúcar, lo que lleva a la formación de terrones, que a menudo se adhieren a las paredes del silo [Linek].

Repetir este ciclo puede generar terrones más duros y grandes.

2.2 Patrón de flujo en el silo

Existen 2 tipos de flujo en los silos : flujo en masa, en el que toda la masa de material en el silo está en movimiento durante la descarga, y flujo en embudo, donde solo la parte central del silo está en movimiento, dejando grandes áreas en los laterales básicamente sin flujo.

Si el silo de azúcar tiene un flujo en embudo, significa que el tiempo de residencia de los cristales de azúcar (que pueden ser más propensos al apelmazamiento, como se explica en el párrafo 2.1) será muy largo, y estarán sometidos a cargas de consolidación (compresión) durante mucho tiempo, lo que puede generar terrones muy grandes, o más bien bloques, de azúcar.

Estos bloques de azúcar pueden pesar varias decenas o cientos de kg, lo que los convierte en un peligro: si caen repentinamente mientras el silo está casi vacío, pueden golpear y dañar la estructura del silo. Si el bloque no está demasiado duro, otro fenómeno puede ocurrir al caer: inundación. En este caso, la llegada de una gran cantidad de producto a la salida del silo no puede controlarse, lo que lleva a una alta tasa de flujo de material fluidizado fuera del silo.

2.3 Túneles y puentes ("ratholes" y "bridges")

Relacionado con el párrafo 2.2, si el cono del silo no ha sido diseñado correctamente, pueden presentarse problemas como la formación de puentes y túneles, que pueden ocurrir incluso en ausencia de terrones.

3. ¿Cómo resolver los problemas de flujo de azúcar en silos?

Soluciones para prevenir el apelmazamiento del azúcar en silos

Las propuestas presentadas a continuación deben considerarse para todos los nuevos silos destinados al almacenamiento de azúcar en grandes cantidades. Los operadores de plantas deben discutirlas con sus proveedores para seleccionar las más adecuadas. Sin embargo, también es posible adaptar silos existentes si no están equipados con estas características y experimentan problemas de apelmazamiento, formación de terrones y flujo.

3.1 Acondicionamiento de aire

El acondicionamiento del aire dentro del silo puede ayudar a mitigar algunos problemas de apelmazamiento del azúcar. El uso de aire seco como barrera evitará que el aire húmedo del entorno externo penetre en el silo y transfiera agua al azúcar, lo que puede causar apelmazamiento (ver párrafo 2). También puede ayudar a eliminar el exceso de humedad en el azúcar almacenado, pero si el acondicionamiento de aire solo se introduce en la parte superior del silo, su efecto será limitado.

Para acondicionar el silo en un rango de 20-25°C y 50-60% HR, se puede utilizar un sistema deshumidificador independiente conectado mediante tuberías a la parte superior del silo.

3.2 Aislamiento del silo

Los cambios de temperatura en las paredes del silo pueden causar condensación, formación de puentes líquidos entre los cristales de azúcar que disuelven una pequeña cantidad de azúcar; luego, al aumentar la temperatura nuevamente, el agua líquida se evapora, dando lugar a la formación de puentes sólidos entre las partículas de azúcar. Este ciclo se repite con los cambios de temperatura, reforzando así los terrones formados, que pueden adherirse a la pared y finalmente crear grandes bloques peligrosos de azúcar en el silo. La migración de humedad desde el lecho de azúcar almacenado también proporciona el agua necesaria para que ocurra este fenómeno.

Una forma de reducir el apelmazamiento del azúcar en las paredes de los silos es aislarlos. Los cambios de temperatura serán menores y la condensación se eliminará o reducirá. Es particularmente importante aislar los silos de azúcar en áreas donde el gradiente de temperatura entre el día y la noche es significativo.

3.3 Patrón de flujo del silo

Los terrones se desarrollan y endurecen con el tiempo, especialmente si el material está sometido durante mucho tiempo a una fuerte carga de consolidación (esto ocurre particularmente en silos en la transición entre la parte cilíndrica y el cono). Si el tiempo de residencia del azúcar en el silo es largo, es probable que los terrones alcancen grandes tamaños y se endurezcan. Por otro lado, si el azúcar se mantiene en movimiento, la mayoría de los puentes sólidos entre partículas pueden romperse, evitando el crecimiento y endurecimiento de los bloques de azúcar.

La forma de garantizar que toda la masa de azúcar esté en movimiento es diseñar un silo deflujo en masa. Como todo el azúcar, incluyendo especialmente el de las paredes, se mueve hacia abajo, está sometido a fuerzas de cizallamiento y mezcla que permiten mantenerlo fluido o, al menos, evitar el crecimiento incontrolado de los terrones. Los silos de flujo en masa pueden lograrse diseñando el silo con el método de Jenike o adaptando silos existentes. Los parámetros clave de diseño para garantizar el flujo en masa son:

• Cono con suficiente inclinación
• Diámetro de salida del cono lo suficientemente grande
• Si el silo está equipado con un transportador de tornillo sinfín : el transportador debe estar diseñado para extraer el azúcar de manera uniforme en toda el área de la salida.

Puede que no sea posible garantizar el flujo en masa, especialmente en silos existentes diseñados de otra manera. En este caso, se pueden aplicar las siguientes medidas:

• Vaciar el silo sistemáticamente con gran regularidad: esto garantizará que ningún azúcar permanezca demasiado tiempo en el silo.
• Utilizar ayudas de descarga : fondos vibrantes, sistemas de fluidización, pueden ayudar al flujo de azúcar y, sin alcanzar el flujo en masa, garantizar que el flujo sea lo suficientemente razonable para evitar la formación de grandes bloques en el silo.

3.4 Combinación de soluciones

Implementar una de las soluciones mencionadas anteriormente puede ayudar, pero puede no ser suficiente. Los operadores de plantas deben optar por combinar varias de estas soluciones para asegurarse de que el azúcar no forme terrones en el silo. Esto implica costos de CAPEX adicionales, pero la inversión permite una producción confiable que justifica el gasto.

Figura 2: aspectos de diseño de silos de azúcar para garantizar un buen flujo y operación

4. Explosión de polvo

Para concluir, un recordatorio de que los silos de azúcar pueden sufrir explosiones de polvo. Los operadores de plantas DEBEN evaluar los riesgos de explosión de polvo en su instalación, especialmente en sus silos de azúcar, y realizar la evaluación de riesgos obligatoria (DHA, DSEAR, ATEX) según la normativa de su país. Normalmente, los silos de azúcar deben estar protegidos contra explosiones con paneles de explosión y válvulas de acción rápida. El tipo exacto de protección y su dimensionamiento se determinarán a partir de la evaluación de riesgos y estudios posteriores.

Para reducir los riesgos de explosión de polvo, la humedad relativa en el silo no debe ser demasiado baja (el valor varía según los autores: alrededor del 40-50% [Linek] o 55-60% [Kochergin]). Esto ayuda a reducir la generación de polvo y la electricidad estática, manteniendo un buen flujo [Linek].

Fuente

[Linek] "The right approach how to design the conditioning system of a sugar silo", Linek y Rosch, *Sugar Industry*, 2017
[Kochergin] "Sugar Storage Silos: A Slow Conditioning Approach"