Technologia cukru Kondycjonowanie cukru na przykładzie silosu w Cukrowni Środa Conditioning of sugar on the basis of Środa Sugar Factory silo Mgr inż. Krzysztof Szczeciński Mgr inż. Wojciech Kazimierski CHEMADEX S.A., Warszawa Artykuł przedstawia ostatnio wybudowany przez Chemadex silos do składowania cukru luzem, jeden z liczącej kilkadziesiąt pozycji listy referencyjnej. Idea tego silosu odbiega od budowanych tradycyjnie silosów jednokomorowych. Jest to silos dwukomorowy, typu komora w komorze. Komora wewnętrzna do krótkotrwałego składowania cukru o pojemności 4500 ton i komora zewnętrzna do długotrwałego składowania cukru o pojemności 60 500 ton. Nie do przecenienia był udział inwestora w opracowaniu koncepcji tego rozwiązania. The silo for bulk sugar storage recently built by Chemadex and one of a number of other projects on Chemadex reference list, has been presented in this paper. The general concept of the silo design varies from the traditional of one-chamber silo designs. It is a two-chamber silo with inner chamber enclosed in the outer one. The inner chamber of 4500 tonnes is used for short-term storage of sugar, while the outer chamber of 60 500 tonnes is used for long-term storage of sugar. The investor s contribution in the development of the silo concept design cannot be overestimated. W celu zabezpieczenia cukru przed zbrylaniem w czasie przechowywania niezbędne jest usunięcie tzw. wilgoci związanej, ukrytej pod szkliwem kryształu, które utworzyło się w czasie suszenia. Wilgoć związana samoistnie wydobywa się na powierzchnię przez okres dwóch-trzech dni i jeżeli nie jest usuwana powoduje sklejanie się kryształów cukru. Dlatego wprowadzany jest okres przejściowego składowania cukru z jednoczesnym klimatyzowaniem go kondycjonowanie. W Cukrowni Środa wspólnie z inwestorem zdecydowano przyjąć pojemność silosu do kondycjonowania 4500 ton. Powstał silos o średnicy 12,0 m i wysokości 50,0 m, umieszczony wewnątrz silosu głównego, do składowania cukru po kondycjonowaniu, dla którego przyjęto pojemność 60 000 ton. Wymiary silosu głównego wynoszą: średnica 46,50 m i wysokość części cylindrycznej 46,50 m. Wysokość budowli w najwyższym punkcie wyniosła 71,0 m. Do silosu zasypywany jest cukier produkowany w cukrowni Środa, jak również w innych cukrowniach inwestora. Dowożony jest cysternami samochodowymi i rozładowywany na specjalnym stanowisku. Po zmieszaniu obu strumieni, oddzieleniu grudek i pyłu kierowany jest do silosu wewnętrznego. Po trzech dobach, gdy przejdzie drogę od powierzchni do dna silosu, odbierany jest przenośnikami ślimakowymi i układem transportowym podawany do specjalnego rozdzielacza w estakadzie górnej. Rozdzielacz kieruje cukier do jednego z sześciu zasypów do silosu zewnętrznego. Następuje równomierne zasypywanie całego przekroju silosu zewnętrznego. W komorze podsilosowej odbywa się odbiór cukru z sześciu podstawowych otworów, także cyklicznie, by zabezpieczyć wewnątrz jednakowy poziom cukru. Zasypywanie i odbiór cukru sterowane są automatycznie z centralnego komputera. Kondycjonowanie cukru odbywa się w silosie wewnętrznym, do którego kierowane jest do 10 000 m 3 /h przygotowanego powietrza. Dodatkowo do 5000 m 3 /h takiego samego powietrza kierowane jest do silosu głównego. Po napełnieniu obu silosów, w okresie przechowywania, powietrze podawane jest nad cukier. Instalacje odpylania komór silosów, przesypów i urządzeń oraz wentylacji są takie same jak we wcześniej budowanych silosach. Dla całego obiektu wprowadzono standardy IFS wymagane przez duże sieci dystrybucji towarów. Suszenie i kondycjonowanie cukru Ażeby przybliżyć filozofię, która doprowadziła do tego rozwiązania, trzeba przybliżyć teorię suszenia i zachowania się kryształu cukru podczas suszenia. 258 Gazeta Cukrownicza 8/2006
Budowa silosu w Cukrowni Środa Warstwa syropu międzykryształowego Rys. 1. Mechanizm suszenia Powietrze suszące Migracja wilgoci od powierzchni kryształu do granicy faz Parowanie Granica faz Świeżo wyprodukowany cukier zawiera trzy rodzaje wilgoci: wilgoć swobodną na powierzchni kryształu, wilgoć związaną znajdującą się pod powierzchnią kryształu oraz wilgoć okludowaną czyli wbudowaną w kryształ, znajdującą się głęboko pod powierzchnią kryształu. Istota okluzji polega na mechanicznym zatrzymywaniu rozpuszczalnika oraz wtrąceń stałych w szybko rosnącej sieci kryształu. W artykule pominięto szczegóły mechaniki budowy i wzrostu kryształu, ponieważ według większości autorytetów wilgoć okludowana prawdopodobnie nie ma żadnego wpływu na zachowanie się cukru podczas długotrwałego składowania. Suszenie jest operacją jednostkową polegającą na jednoczesnej wymianie ciepła i masy (rys. 1). Strumień powietrza przepływając nad wilgotnym kryształem, oddaje energię cieplną cieczy na powierzchni, która jednocześnie parując, przenika do strumienia powietrza. Siłą napędową wymiany ciepła opisanej liczbą Nusselta jest gradient temperatury, natomiast wymiany masy (liczba Shermana) gradient stężenia. Proces suszenia charakteryzuje się zmiennością warunków fizycznych związanych z ubytkiem wilgoci. W fazie początkowej, kiedy powierzchnia kryształu jest zwilżona syropem międzykryształowym, proces suszenia ma charakter powierzchniowy, podczas którego szybkość odparowania wilgoci jest zależna od różnicy prężności par. Przepływ wilgoci z warstwy położonej na samej ściance kryształu w kierunku swobodnej powierzchni jest tak znaczny, że proces parowania wilgoci przebiega podobnie jak ze swobodnego zwierciadła cieczy. W przypadku wymuszonego przepływu czynnika suszącego na powierzchni syropu międzykryształowego zaczyna się tworzyć warstewka bardzo przesyconego syropu, który w miarę upływu czasu zamienia się w twarde szkliwo wiążące syrop znajdujący się na powierzchni kryształu (rys. 2). Do wcześniej opisanego procesu dochodzi jeszcze proces dyfuzji wilgoci z powierzchni kryształu, poprzez warstwę syropu i warstwę szkliwa. Ze względu na mały gradient stężenia proces dyfuzji jest wolny. Im bardziej intensywny jest proces suszenia w suszarce, tym więcej wilgoci pozostaje uwięzionej pomiędzy warstwą kryształu, a warstwą wysuszonego szkliwa. Wilgoć ta, nazywana związaną, powoli dyfunduje w kierunku powierzchni, powodując po pewnym czasie zwilżenie i nadtopienie powierzchni. Jeżeli kryształy znajdują się Silos wewnętrzny do kondycjonowania cukru: widok wewnątrz w górę, z silosu zewnętrznego i wewnątrz w dół Gazeta Cukrownicza 8/2006 259
Dyfuzja wilgoci od powierzchni kryształu do powierzchni szkliwa Rys. 2. Mechanizm wydzielania się wilgoci Powierzchnia szkliwa Wilgoć związana Powierzchnia kryształu w bezruchu, następuje sklejanie się sąsiadujących ze sobą i powstawanie brył. Wprawdzie idealnym rozwiązaniem byłoby spowolnienie procesu suszenia, tak żeby uniknąć powstawania na powierzchni kryształu szkliwa, ale jest to możliwe wyłącznie w warunkach laboratoryjnych. Intensyfikacja produkcji, zwiększanie przerobu i wydajności powoduje wręcz odwrotne działanie. Należy suszyć szybko, bo następne wary czekają w warniku na spuszczenie, a cukier opuszczający suszarkę ma, jak się wydaje, wspaniałe parametry, bo wilgotność jego jest pomiędzy 0,03 a 0,05%. Tylko że ma on, niestety, dużo wilgoci związanej, która pojawi się na powierzchni po minimum 24 godzinach. Kiedyś jednym z podstawowych elementów suszarni cukru były tzw. zbiorniki dobowe, gdzie cukier był właśnie przez dobę składowany i dopiero po tym czasie pakowany w worki. Wilgoć związana wyszła wtedy na zewnątrz, nawet niewielka ilość powietrza i ruch cukru przy wysypywaniu ze zbiorników i transporcie do maszyn workujących powodował odparowanie wody na tyle, że cukier później się nie zbrylał w magazynie, nawet bez specjalnego przewietrzania pomieszczeń. Myśl o powrocie do zbiornika dobowego była głównym motorem zaprojektowania i wybudowania właśnie takiego dwukomorowego silosu. W przypadku cukrowni w Środzie Wielkopolskiej istotnym elementem jest fakt, iż w silosie składowany jest cukier dowożony z innych fabryk, o różnych parametrach wilgotności, temperatury i granulacji. W silosie wewnętrznym następuje całkowite ujednorodnienie, a dzięki dużej intensywności przewietrzania złoża cukru klimatyzowanym powietrzem o ściśle dobranych i utrzymywanych przez komputer parametrach, następuje usunięcie praktycznie całej wilgoci związanej przed skierowaniem cukru do składowania w komorze głównej. Opis budowy Jest to silos niestandardowy, ze względu na przyjęte rozwiązanie spełniające wymagania inwestora. Podstawowym założeniem było kondycjonowanie cukru przez okres trzech dni przed zasypaniem go do podstawowego silosu. Z takiego założenia, po analizach ekonomicznych, powstała koncepcja budowy silosu do kondycjonowania wewnątrz głównego silosu. Końcowym efektem jest jedyny w Polsce i jeden z niewielu w Europie silos w silosie (rys. 3). Oto niektóre dane dotyczące tego rozwiązania: średnica silosu wewnętrznego - 12,0 m, wysokość silosu wewnętrznego 52,5 m, średnica silosu zewnętrznego 46,5 m, wysokość części walcowej silosu zewnętrznego 46,5 m, nietypowy wklęsły dach, całkowita wysokość w najwyższym punkcie Rys. 3. Przekrój silosu. Dane: silos wewnętrzny 12 m, H=52,5 m; silos zewnętrzny 46,5 m, H=46,5 m, Hmax=71,0 m 71,0 m. W wyniku takiego rozwiązania zmieniony został cały klasyczny układ instalacji związanych z przechowywaniem, kondycjonowaniem i transportowaniem cukru. Obiegi pomocnicze w silosie Transport cukru (rys. 4). Do silosu dostarczany jest cukier z różnych cukrowni, a więc o różnych parametrach, a zwłaszcza o różnych temperaturach. W celu zapewnienia jednorodności cukru kierowanego do silosu zastosowano instalację do mieszania cukru z produkcji oraz cukru zewnętrznego. Jednocześnie w tym miejscu następuje oddzielenie frakcji drobnych i bryłek. Centralny zasyp do silosu służy teraz jako zasyp cukru do silosu wewnętrznego do kondycjonowania. Rys. 4. Transport cukru Zrezygnowano z jednego centralnego wysypu, a dla równomiernego odbioru zastosowano cztery, równomiernie rozłożone na dolnej powierzchni. Powinno to zapewnić obniżanie się warstwy cukru aż do otworów wysypowych i zachowanie założonego czasu kondycjonowania. Cukier odbierany po kondycjonowaniu ponownie jest podawany na górę silosu i poprzez specjalny rozdzielacz kierowany do silosu zewnętrznego. Zdecydowano się na rozdzielacz sześciodrogowy, gdyż zapewnia on optymalne zasypanie całego przekroju silosu. Wielopunktowy zasyp na powierzchni silosu zmniejsza samoczynne rozsegregowanie cukru na stożkach, w porównaniu z jednym centralnym zasypem. 260 Gazeta Cukrownicza 8/2006
Rys. 5. Założenia do klimatyzacji Rys. 6. Zagrożenie przesuszeniem cukru Założenia do klimatyzacji silosu Wilgotność mniejsza niż 50% Wilgotność większa niż 30% Temperatura powietrza wlotowego równa 25 o C Zakładana wilgotność powietrza na wlocie 7 g/kg Powietrze na wylocie 9 g/kg Różnica wilgotności powietrza = 2 g/kg Nie mamy tutaj samoczynnie regenerującego się stożka, zapewniającego równomierny rozkład obciążenia na ściany boczne. Dlatego przyjęto rozwiązanie wsypywania przez każdą z sześciu rur rozdzielacza określonej ilości cukru, w tym przypadku 100 ton. Zapewnia to waga na przenośniku taśmowym i automatyka przełączająca drogi rozdzielacza według zadanego programu. Cukier z silosu zewnętrznego odbierany jest przez sześć podstawowych wysypów rozmieszczonych symetrycznie na powierzchni przekroju silosu. Ilość odbieranego cukru kontrolowana jest także na wadze i automatycznie zmieniany jest czynny otwór wysypowy dla zabezpieczenia silosu przed nierównomiernym obciążeniem. Kondycjonowanie cukru. Podstawowy nadmuch klimatyzowanego powietrza odbywa się do wewnętrznego silosu, gdzie kondycjonuje się cukier. Parametry powietrza: ilość powietrza do 10 000 m 3 /h temperatura powietrza ok. 25 o C wilgotność właściwa powietrza 7 g H 2 O/kg suchego pow. wilgotność względna powietrza <50% ilość wody usuwanej z cukru ok. 2 g/kg pow. W celu dobrego przechowywania cukru klimatyzowane powietrze podawane jest także do silosu zewnętrznego magazynowego w okresie napełniania. Ilość powietrza wynosi ok. 5000 m 3 /h. Powietrze nawiewane do silosu powinno posiadać parametry mieszczące się w zaznaczonym obszarze wykresu na rysunku 5, tj. wilgotność względną od 30% do 50% oraz temperaturę od 20 o C do 30 o C. Średnio nastawiana jest temperatura 25 o C i wilgotność 40%. Przekroczenie pokazanego zakresu nawet przez jeden parametr powoduje nawiewanie zbyt wilgotnego powietrza i nawilżanie cukru lub zbyt suchego powietrza i przesuszanie cukru. Pierwszy problem jest ogólnie znany (zwłaszcza jego skutki), dlatego bliżej przedstawiono przesuszanie cukru. W okresach jesienno-zimowych, przy niskich temperaturach, powietrze zewnętrzne może mieć wilgotność względną zbliżoną do 100%. Jednak przy ogrzewaniu do temperatury 25 o C maleje ona i może osiągnąć wartość poniżej 30%. Pogłębia się to przy ujemnych temperaturach, gdy wilgotność powietrza bywa niższa rysunek 6. Podawanie takiego powietrza do silosu powoduje dwa skutki: po pierwsze wzrasta zagrożenie wystąpienia ładunków elektrostatycznych, gdyż oporność cukru przy spadku wilgotności od 50% do 15% wzrasta 1000 razy od 1 GΩ do 1 TΩ, po drugie w silosie zaczyna ubywać cukru przy nawiewie 10 000 m 3 /h i założonej różnicy wilgotności 2g w ciągu godziny ubywa 20 kg. Odpylanie. Przestrzenie obu silosów pod dachem są połączone i stamtąd odbierane jest zapylone powietrze przez instalację odpylania. Po oczyszczeniu z pyłu cukrowego na filtrach workowych (ilość pyłu po filtrach poniżej 5 mg/m 3 ) ponownie może być ono skierowane do stacji klimatyzacyjnej lub usunięte do atmosfery. Jest to rozwiązanie standardowe. Wentylacja. Układ wentylacji jest rozwiązaniem standardowym, z uwzględnieniem znacznie większych ilości powietrza wynikających z odpylania przesypów. Należy zwrócić uwagę na ilości pyłu cukrowego przy tak dużym obiegu powietrza. Mimo gwarantowanych 5 mg/m 3 powietrza w ciągu godziny może pojawić się ok. 1 kg pyłu cukrowego. Międzynarodowe przepisy higieny przechowywania cukru Przy budowie silosu i pakowni w Cukrowni Środa już na etapie projektowania założono wprowadzenie standardu IFS (International Food Standard) Międzynarodowy Standard Żywności. Nie jest to obowiązujący przepis prawny, a tylko wprowadzony przez odbiorców hurtowych zbiór przepisów i stawianych przez nich wymagań. Gazeta Cukrownicza 8/2006 261
Zawiera on w sobie obowiązujące przepisy prawne, wymagania jak HACCP, GHP, GMP oraz normy ISO. Inwestor, po przeanalizowaniu kosztów oraz korzyści, podjął decyzję o wyłożeniu obu silosów blachą nierdzewną. Po raz pierwszy w kraju zastosowano takie rozwiązanie. Wyobrażenie o skali zadania daje wielkość wyłożonej powierzchni ok. 12 500 m 2. Wyłożenie wykonano z pasów blachy o szerokości 1 m, na dnie spawanych, na ścianach przykręcanych na kołki. Należy wspomnieć o przywiązywaniu coraz większego znaczenia do zabezpieczeń przeciwpożarowych i wybuchowych wprowadzono maszyny i urządzenia z atestem ATEX. W silosie zastosowano klasyczne zabezpieczenia membranami wybuchowymi. Natomiast w segregacji i pakowni występuje aktywny system tłumienia wybuchu oraz konstrukcja urządzeń (podnośnik kubełkowy) pozwalająca na rezygnację z membran wybuchowych. Parametry cukru uzyskane w silosie do kondycjonowania i w silosie magazynowym Podczas eksploatacji zbudowanych silosów uzyskano parametry cukru przedstawione w tabelach 1-3. Podano w nich temperatury i wilgotności cukru na wejściu i wyjściu z każdego silosu. Są to wartości średnie z całej kampanii oraz wartości minimalne i maksymalne. Jak widać w tabeli 1, niekiedy cukier dostarczany z innych cukrowni przekraczał dopuszczalną normę wilgotności 0,05%, ale nie miało to wpływu na jego jakość po okresie kondycjonowania tabela 2. Jak wynika ze średnich wilgotności po kondycjonowaniu 0,034% oraz po magazynowaniu w silosie zewnętrznym 0,034% w przechowywanym cu- Tabela 1. Parametry cukru na wejściu do silosu wewnętrznego Właściwości Cukier z produkcji Cukier z zewnątrz cukru średnio min. max. średnio min. max. Temperatura, o C 28,6 18,6-34,2 29,9 16,7-36,4 Wilgotność, % 0,041 0,031-0,046 0,042 0,031-0,056 Wydajność, t/h 25-32 do 40 Tabela 2. Parametry cukru na wyjściu z silosu wewnętrznego Właściwości cukru średnio min. max. Temperatura, o C 27,2 22,6-31,8 Wilgotność, % 0,034 0,023-0,045 Tabela 3. Parametry cukru na wyjściu z silosu zewnętrznego Właściwości cukru średnio min. max. Temperatura, o C 26,1 22,5-29,7 Wilgotność, % 0,034 0,024-0,048 krze nie zachodziło już zjawisko odbierania wilgoci od kryształów. Przyjęty okres kondycjonowania trzy doby spełnia założone zadanie odebrania wilgoci związanej. Temperatury cukru po chłodzeniu niekiedy przekraczały założoną wartość 30 o C, średnio utrzymywały się nieco poniżej. Wskazane byłoby utrzymywać temperaturę ok. 25 o C. W ostatnim okresie można zaobserwować tendencję do produkcji cukru o granulacji ok. 0,65 mm i niżej. Wynika to z wymagań stawianych przez rynek oraz pozwala skracać czas gotowania. Ma to wpływ na sposób kondycjonowania cukru i wywołuje nowe zjawiska w obrębie silosu. Foto: Chemadex Z życia przemysłu, FSNT i STC Nowe Władze Stowarzyszenia Techników Cukrowników Uzupełniając lipcową relację z XXXIV Walnego Zjazdu Delegatów STC w dn. 22 czerwca 2006 r., podajemy pełny skład władz STC na kadencję 2006-2009: Przewodniczący Zarządu Głównego STC Stanisław Świetlicki Krajowa Spółka Cukrowa S.A Sekretarz Generalny STC Krystyna Wasińska Krajowa Spółka Cukrowa S.A Prezydium: 1. Stanisław Świetlicki przewodniczący 2. Norbert Bücherl wiceprzewodniczący 3. Artur Olkowicz wiceprzewodniczący 4. Józef Klimaszewski członek 5. Witold Łękawski członek 6. Jacek Sobczyński członek 7. Piotr Wawro członek 8. Krystyna Wasińska Sekretarz Generalny STC Członkowie: 9. Bücherl Norbert Südzucker Polska Sp. z o. o. 10. Brzeziński Stanisław Politechnika Łódzka 11. Klimaszewski Józef BSO Polska Sp. z o. o. 12. Łękawski Witold Polimex-Cekop-Moder 13. Olkowicz Artur Krajowa Spółka Cukrowa S.A. 14. Sobczyński Jacek Pfeifer & Langen Polska S.A. 15. Szczesiak Tomasz BSO Polska Sp. z o. o. 16. Wasińska Krystyna Krajowa Spółka Cukrowa S.A. 17. Wawro Piotr Nordzucker Polska S.A. 18. Wąs Wojciech Südzucker Polska Sp. z o. o. 19. Zieliński Krzysztof Pfeifer & Langen Polska S.A. 20. Żurawska Małgorzata Nordzucker Polska S.A. Komisja Rezwizyjna: 21. Alicja Tarajko, Lublin przewodnicząca 22. Janusz Sławiński, KSC S.A. z-ca przewodniczącej 23. Lilia Radomska, KSC S.A. sekretarz 24. Halina Gruszecka, Warszawa członek 25. Krzysztof Łukowicz, Südzucker Polska Sp. z o. o. członek Sąd Koleżeński: 26. Stanisław Betlewicz, BSO Polska Sp. z o. o. przewodniczący 27. Zofia Pawłowska, KSC S.A. członek 28. Lucyna Stasicka, Südzucker Polska Sp. z o. o. członek Delegat STC do Rady Krajowej FSNT NOT: 29. Stanisław Wawro Politechnika Łódzka (B.M.) 262 Gazeta Cukrownicza 8/2006