KONDYCJONOWANIE CUKRU NA PRZYKŁADZIE ROZWIĄZANIA KONSTRUKCJI SILOSU W CUKROWNI ŚRODA Warszawa, maj 2006 CHEMADEX S.A. ul. Koszykowa 6, 00-564 Warszawa, tel. (0-22) 621-62-71, fax 629-50-03 e-mail: chemadex@chemadex.com.pl
S P I S T R E Ś C I 1. Wstęp 2. Suszenie i kondycjonowanie cukru 3. Opis budowy 4. Międzynarodowe przepisy dla żywności 5. Uzyskiwane parametry cukru w silosie do kondycjonowania i w silosie magazynowym CUKROWNIA ROPCZYCE 2
1. WSTĘP Szanowni Państwo. Reprezentuję firmę CHEMADEX S.A., nazywam się Krzysztof Szczeciński, byłem generalnym projektantem silosu w Środzie Wlkp., ostatniego dziecka z liczącej kilkadziesiąt pozycji listy referencyjnej silosów wybudowanych przez naszą firmę. Idea tego silosu odbiega od budowanych tradycyjnie silosów jednokomorowych. W tym miejscu chciałbym podkreślić udział nie do przecenienia inwestora w opracowaniu koncepcji tego rozwiązania. 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. 2. SUSZENIE I KONDYCJONOWANIE CUKRU Ażeby przybliżyć Państwu filozofię, która doprowadziła do takiego rozwiązania muszę powiedzieć parę słów o teorii suszenia i zachowania się kryształu cukru podczas suszenia. Świeżo wyprodukowany cukier zawiera trzy rodzaje wilgoci: Wilgoć swobodną na powierzchni kryształu Wilgoć związaną znajdującą się pod powierzchnią kryształu wilgoć okludowaną czyli wbudowaną w kryształ, znajdującą się głęboko pod powierzchnią kryształu. Istota okluzji polega na mechanicznym zatrzymywaniu rozpuszalnika oraz wtrąceń stałych w szybko rosnącej sieci kryształu. Nie CUKROWNIA ROPCZYCE 3
będę Państwa zanudzał mechaniką budowy i wzrostu kryształu, ponieważ prawdopodobnie wg większości autorytetów wilgoć okludowana nie ma żadnego wpływu na zachowanie się cukru podczas długotrwałego składowania. Suszenie jest operacją jednostkową polegającą na jednoczesnej wymianie ciepła i masy. Strumień powietrza przepływając nad zwierciadłem wilgoci 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 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. 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 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 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 CUKROWNIA ROPCZYCE 4
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 na tyle odparowanie wody, 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 do składowania w komorze głównej. 3. 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. Oto niektóre dane dotyczące tego rozwiązania: - średnica silosu wewnętrznego -12,0 m CUKROWNIA ROPCZYCE 5
- wysokość silosu wewnętrznego 52,5 m - średnica silosu zewnętrznego 46,5 m - wysokość części walcowej silosu zewnętrznego 46,5m - nietypowy wklęsły dach - całkowita wysokość w najwyższym punkcie - 71,0 m W wyniku takiego rozwiązania zmieniony został cały klasyczny układ instalacji związanych z przechowywaniem, kondycjonowaniem i transportowaniem cukru. A teraz kilka zdań o każdym z obiegów pomocniczych występujących w silosie. A. Transport cukru. Do silosu dostarczany jest cukier z różnych cukrowni, a więc o różnych parametrach, a zwłaszcza o różnych temperaturach. Dla zabezpieczenia jednorodnego cukru do silosu zastosowano instalację do mieszania cukru z produkcji oraz zewnętrznego. Jednocześnie w tym miejscu następuje oddzielenia frakcji drobnych i bryłek. Centralny zasyp do silosu służy teraz do zasypu cukru do silosu wewnętrznego - do kondycjonowania. Zrezygnowano z jednego centralnego wysypu, a dla równomiernego odbioru zastosowano cztery, równomiernie rozłożone na całej powierzchni. Powinno to zapewnić obniżanie się warstwy cukru aż do otworów wysypowych i założony czas kondycjonowania. Odbierany cukier po kondycjonowaniu ponownie podawany jest 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 stosunku do jednego centralnego zasypu. 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. CUKROWNIA ROPCZYCE 6
Cukier z silosu zewnętrznego odbierany jest przez 6 podstawowych wysypów rozmieszczonych symetrycznie na powierzchni przekroju silosu. Ilość odbieranego cukru kontrolowana jest także na wadze i automatycznie zmieniany jest otwór wysypowy dla zabezpieczenia silosu przed nierównomiernym obciążeniem. B. Kondycjonowanie cukru Podstawowy nadmuch klimatyzowanego powietrza odbywa się do wewnętrznego silosu, gdzie kondycjonujemy cukier. Parametry powietrza: ilość powietrza do 10.000 m3/h temperatura powietrza ok.25 o C wilgotność właściwa powietrza 7 gh 2 O/kg suchego pow. wilgotność względna powietrza <50% ilość usuwanej wody z cukru ok.2g /kg pow. Dla dobrego przechowywania cukru klimatyzowane powietrze podawane jest także do silosu zewnętrznego magazynowego w okresie napełniania. Ilość powietrza wynosi ok. 5.000 m3/h. C. 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/m3) ponownie może być skierowane do stacji klimatyzacyjnej lub usunięte do atmosfery. Jest to rozwiązanie standardowe dla instalacji CHEMADEX. D. Wentylacja CUKROWNIA ROPCZYCE 7
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/m3 powietrza w ciągu godziny może pojawić się ok. 1 kg pyłu cukrowego. 4. MIĘDZYNARODOWE PRZEPISY HIGIENY PRZECHOWYWANIA CUKRU Przy budowie silosu i pakowni w cukrowni Środa już na etapie projektowania założono wprowadzenie standardu IFS ( Interniational Ford Standard) Międzynarodowy Standard Żywności. Nie jest to obowiązujący przepis prawny, a tylko wprowadzony przez odbiorców hurtowych zbiór przepisów i stawianych przez nich wymagań. 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. CHEMADEX po raz pierwszy, i jako jedyny w kraju, wykonał wyłożenie blachą ścian i dna silosów. Dla zobrazowania podam, że jest to powierzchnia ok. 12.500m2. Wyłożenie wykonano z pasów blachy o szerokości 1 m, na dnie spawanych, na ścianach przykręcanych na kołki. Należy w tym miejscu wspomnieć jeszcze o coraz większym znaczeniu zabezpieczeń przeciwpożarowych i wybuchowych wprowadzanie maszyn i urządzeń 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. Obecnie CHEMADEX wprowadza takie rozwiązania do swoich opracowań projektowych. CUKROWNIA ROPCZYCE 8
5. UZYSKANE PARAMETRY CUKRU W SILOSIE DO KONDYCJONOWANIA I W SILOSIE MAGAZYNOWYM Podczas eksploatacji zbudowanych silosów uzyskano parametry cukru przedstawione w poniższych tabelach. Tabela 1. Parametry cukru na wejściu do silosu wewnętrznego Z produkcji Z zewnątrz Temperatura 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 25-32 t/h Do 40 t/h Tabela 2. Parametry cukru na wyjściu z silosu wewnętrznego Temperatura 27,2 (22,6-31,8) Wilgotność 0,034 (0,023-0,045) Tabela 3. Parametry cukru na wyjściu z silosu zewnętrznego Temperatura 26,1 (22,5-29,7) CUKROWNIA ROPCZYCE 9
Wilgotność 0,034 (0,024-0,048) W ostatnim okresie można zaobserwować tendencje do produkcji cukru o granulacji ok. 0,65 mm i niżej. Wynika to z wymagań stawianych przez rynek oraz pozwala skracać czas gotowania. A wpływa to na sposób kondycjonowania cukru i wywołuje nowe zjawiska w obrębie silosu. CUKROWNIA ROPCZYCE 10