Silos à sucre : résoudre et prévenir les problèmes d'écoulement

Le sucre cristallisé est souvent stocké dans de grands silos >30 m³ qui sont approvisionnés par camions ou wagons-citernes. De nombreux problèmes de formation de blocs, de caking, plus généralement des problèmes d'écoulement en sortie de silo, sont cependant rencontrés par les usines. Cette page se concentre sur les causes profondes des blocages d'écoulement de sucre dans les silos des opérateurs d'usine recevant du sucre d'un fournisseur, et comment les résoudre et les prévenir. Cette page ne traite pas des silos de conditionnement utilisés par les usines de production de sucre (raffineries) bien que certains des concepts présentés puissent également être appliqués à ces silos particuliers.

1. Problèmes d'écoulement du sucre dans les silos

Quels sont les problèmes observés dans les silos à sucre ?

Le problème le plus répandu signalé par les usines du monde entier exploitant des silos à sucre est le caking (formation de blocs) du sucre stocké qui entraîne des problèmes d'écoulement, des problèmes de qualité, une réduction de la capacité de stockage et de la production de l'usine, et dans certains cas, des problèmes de sécurité.

Le sucre, dans certaines conditions, a la capacité de former des blocs, qui peuvent durcir et grossir avec le temps. Dans des cas extrêmes, des blocs de plusieurs dizaines de cm peuvent être trouvés dans les silos, généralement le long des parois des silos. Ce sucre dur ne peut pas être facilement retiré du silo. La présence de ces gros blocs réduit le volume utile du silo, peut entraîner un blocage si les blocs tombent et obstruent la sortie du silo. Dans certains cas, si un bloc très gros tombe soudainement, il peut même endommager la structure du silo lorsqu'il heurte le cône.

Figure 1 : exemple de la présence de blocs de sucre dans un silo

Comprendre comment le sucre se forme en blocs dans un silo et le prévenir, est donc crucial pour les opérateurs d'usine afin d'assurer une production sûre et fiable.

2. Quelles sont les causes profondes de la formation de blocs de sucre ?

Pourquoi le sucre se forme-t-il en blocs dans les silos ?

La principale cause profonde du caking du sucre dans les silos est l'humidité transférée dans la masse, ce qui se produit surtout près des parois des silos, et est aggravée par d'autres facteurs tels qu'un mauvais schéma d'écoulement dans le silo.

2.1 Humidité

Le sucre chargé dans le silo a un certain taux d'humidité. Le niveau d'humidité n'est généralement pas un problème pour le sucre lui-même, mais une fois chargé dans un silo, si les parois des silos sont suffisamment refroidies, par exemple la nuit pendant la saison froide, la température près des parois des silos peut tomber en dessous du point de rosée [Linek] et la condensation peut se produire dans la zone proche de la paroi. Comme le sucre est soluble dans l'eau, de petites parties de celui-ci se dissolvent, lorsqu'il sèche à nouveau, par exemple lorsque le soleil éclaire et réchauffe le silo, l'eau s'évapore et le sucre dissous cristallise en créant des liaisons solides entre les particules de sucre, ce qui entraîne la formation de blocs, souvent adhérant aux parois du silo [Linek].

Répéter ce cycle peut conduire à la formation de blocs de sucre plus durs et plus gros.

2.2 Schéma d'écoulement du silo

Il existe deux types d'écoulement dans les silos : écoulement de masse, pour lequel toute la masse de matériau dans le silo est en mouvement lors du déchargement du silo, et écoulement en entonnoir, où seule la partie centrale du silo est en mouvement, laissant de grandes zones sur les côtés des silos avec pratiquement aucun écoulement.

Si le silo à sucre présente un écoulement en entonnoir, cela signifie que le temps de séjour des cristaux de sucre qui peuvent être les plus sujets au caking, comme expliqué au paragraphe 2.1, sera très long, et ils subiront des charges de consolidation (compression) pendant une longue période, ce qui peut générer des blocs de sucre très grands, ou plutôt des blocs, de sucre.

Ces blocs de sucre peuvent peser plusieurs dizaines ou centaines de kg, ce qui en fait un danger : s'ils tombent soudainement alors que le le silo est presque vide, ils peuvent heurter et endommager la structure du silo. Si le bloc n'est pas trop dur, un autre phénomène peut se produire lorsque le bloc tombe : l'inondation. Dans ce cas, l'arrivée à la sortie du silo d'une grande quantité de produit ne peut pas être contrôlée et entraîne un débit élevé de matériau fluidisé en sortie du silo.

2.3 Ponts et trous de rat

En relation avec le paragraphe 2.2, si le cône du silo n'a pas été correctement conçu, des problèmes tels que le pontage et le trou de rat, qui peuvent se produire même en l'absence de blocs, peuvent être rencontrés.

3. Comment résoudre les problèmes d'écoulement du sucre dans les silos ?

Solutions pour prévenir la formation de blocs de sucre dans les silos

Les propositions présentées ci-dessous devraient être prises en compte pour tous les nouveaux silos destinés au stockage de sucre en grandes quantités, les opérateurs d'usine devraient en discuter avec leurs fournisseurs afin de sélectionner les solutions appropriées. Cependant, il est possible de moderniser les silos existants, dans le cas où le silo considéré n'est pas équipé de ces fonctionnalités et connaît des problèmes de formation de blocs, de caking et d'écoulement.

3.1 Conditionnement de l'air

Le conditionnement de l'air à l'intérieur du silo peut aider à atténuer certains problèmes de formation de blocs de sucre. L'air sec enveloppant évitera que l'air humide de l'environnement extérieur ne pénètre dans le silo et ne transfère de l'eau au sucre qui peut entraîner du caking (voir paragraphe 2). Il peut également aider à éliminer l'excès d'humidité dans le sucre stocké mais, si le conditionnement de l'air n'est introduit qu'au sommet du silo, cet effet sera limité.

Pour conditionner l'air dans la plage 20-25 °C et 50-60 % HR, un système de déshumidification autonome peut être utilisé et connecté via un tuyau au sommet du silo.

3.2 Isolation du silo

Les changements de température des parois des silos peuvent entraîner la condensation, formation de ponts liquides entre les cristaux de sucre qui dissolvent une petite partie du sucre, puis évaporation de l'eau liquide lorsque la température augmente à nouveau, ce qui entraîne la formation de ponts solides entre les particules de sucre. Ce cycle se répète avec les changements de température et renforce ainsi les blocs formés, qui peuvent adhérer à la paroi et finalement créer de gros blocs de sucre dangereux dans le silo. La migration de l'humidité dans la masse du sucre stocké fournit également l'eau nécessaire pour que ce phénomène se produise.

Un moyen de réduire l'ampleur de la formation de blocs de sucre sur les parois des silos est de les isoler. Les changements de température seront moins importants et la condensation sera éliminée ou réduite. Il est particulièrement important d'isoler les silos à sucre dans les zones où le gradient de température est important entre le jour et la nuit.

3.3 Schéma d'écoulement du silo

Les blocs se développent et durcissent au fil du temps, d'autant plus si le matériau est soumis pendant une longue période à une forte charge de consolidation (c'est particulièrement le cas dans les silos à transition entre la paroi cylindrique et le cône). Si le temps de séjour du sucre dans le silo est long, les blocs seront susceptibles d'atteindre une taille importante et de durcir. D'autre part, si le sucre est maintenu en mouvement, la plupart des ponts solides entre les particules peuvent être rompus, empêchant la croissance et le durcissement des blocs de sucre.

Le moyen d'assurer que toute la masse de sucre est en mouvement est de concevoir un silo à écoulement de masse. Comme toute la masse de sucre, y compris et surtout sur les parois, descend, elle est soumise à des forces de cisaillement et à un mélange qui permettent de la maintenir écoulement ou au moins d'empêcher la croissance incontrôlée des blocs. méthode de Jenike ou en modernisant le silo. Les principaux paramètres de conception pour assurer un écoulement de masse sont :

• Cône suffisamment incliné
• Diamètre de sortie de cône suffisamment grand
• Si le silo est équipé d'un vis sans fin : la vis sans fin doit être conçue pour aspirer le sucre uniformément à travers toute la zone de sortie

Il peut ne pas être possible d'assurer un écoulement de masse, en particulier dans les silos existants qui ont été conçus différemment, dans ce cas les points suivants peuvent être appliqués :

• Vider systématiquement le silo à une fréquence très régulière : cela garantira qu'aucun sucre ne reste trop longtemps dans le silo
• Utiliser des aides au déchargement : fonds vibrants, systèmes de fluidisation, peuvent aider l'écoulement du sucre et, sans atteindre un écoulement de masse, garantir que l'écoulement est raisonnable pour éviter la formation de gros blocs dans le silo

3.4 Combinaison de solutions

La mise en œuvre d'une des solutions mentionnées ci-dessus peut aider, mais peut ne pas être suffisante. Les opérateurs d'usine devraient opter pour combiner chacune de ces solutions pour s'assurer que le sucre ne se forme pas en blocs dans le silo, cela ajoute des coûts en capital, mais l'argent investi permet une production fiable qui rembourse l'investissement.

Figure 2 : aspects de conception du silo à sucre pour assurer un bon écoulement et une exploitation

4. Explosion de poussière

Pour conclure, rappelons que les silos à sucre peuvent être victimes d'explosions de poussière. Les opérateurs d'usine DOIVENT évaluer les risques d'explosion de poussière dans leur installation et en particulier dans leur silo à sucre et effectuer l'évaluation des risques obligatoire (DHA, DSEAR, ATEX) dans leur pays. En règle générale, les silos à sucre doivent être protégés contre les explosions avec des panneaux d'explosion et des vannes à action rapide, le type exact de protection et leur dimensionnement proviendront de l'évaluation des risques et d'études complémentaires.

Pour réduire les risques d'explosion de poussière, l'humidité relative dans le silo ne doit pas être trop faible (la valeur varie selon les auteurs, dans la plage 40-50 % [Linek] ou 55-60 % [Kochergin]), ce qui aide à réduire la poussière et l'électricité statique tout en maintenant un bon écoulement [Linek].

Source

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