10 étapes pour concevoir des silos plus efficaces

Afin de concevoir un silo de stockage fiable et robuste, il est indispensable de bien définir et mesurer les propriétés d’écoulement et les caractéristiques de votre matériau en vrac. Celles-ci imposeront les critères de design de votre silo. Voici les 10 étapes à suivre…

Table of Contents

Étape 1 – définir les besoins de stockage et les conditions d’opération

Voici quelques facteurs à considérer :

Capacité de stockage
Exigence de l’alimentateur
Fréquence et débit de la décharge
Durée de repos
Taux d’humidité
Température et pression
Matériaux de construction du silo
Sécurité et environnement
Homogénéité ou ségrégation du matériau en vrac

Étape 2 – comprendre les problèmes d’écoulement des solides en vrac

Les problèmes d’écoulement ont lieu dans différents types d’équipements tels que les alimentateurs, les chutes à minerai, etc., mais ont souvent lieu dans les silos. Les problèmes communs incluent :

Arche d’enclenchement : condition où les grosses particules s’emboîtent mécaniquement et forment une arche à la sortie du réservoir
Arche (ou voûte) cohésive : condition « d’absence d’écoulement » où le matériau forme une arche cohésive stable à la sortie du réservoir
Cheminée d’écoulement (ou « rathole») : condition « d’absence d’écoulement » où le matériau forme un canal d’écoulement vide dans le réservoir. Ceci peut réduire drastiquement la capacité utile de stockage et entraîner un écoulement irrégulier et erratique
Inondation
Écoulement limité
Ségrégation
Dégradation

Étape 3 – mesurer les propriétés d’écoulement du matériau en vrac

Mesurer les propriétés d’écoulement du matériau en vrac sous les conditions actuelles d’opération permet de prédire et de contrôler son comportement dans un silo. Les propriétés les plus importantes sont les suivantes :

Résistance à la cohésion : permet de calculer la dimension de la sortie du silo qui préviendra une arche cohésive ou une cheminée d’écoulement
Friction de la paroi : permet de calculer les pentes de la trémie pour obtenir un écoulement en masse
Densité apparente : permet de calculer les pressions et les charges des silos. Elle aide aussi avec la conception des alimentateurs
Glissement aux points d’impact : permet de déterminer l’angle minimal des chutes aux points d’impact

Étape 4 – calculer la taille approximative du silo

Il est important de calculer la taille approximative de la partie cylindrique du silo requise pour stocker la capacité nécessaire. La hauteur finale du cylindre dépendra aussi du volume perdu en haut du cylindre à cause de l’angle de talus, ainsi que du volume présent dans la trémie. La hauteur du cylindre (rond ou rectangulaire) devrait se situer entre 1 et 4 fois son diamètre (ou sa largeur). Notez que le volume calculé n’est pas forcément le même que le volume utilisable. Dépendamment du mode d’écoulement, les régions stagnantes présentes dans un silo réduiront sa capacité utilisable.

Étape 5 – établir le mode d’écoulement requis

Voici, pour chaque mode d’écoulement, ses caractéristiques, ses avantages et désavantages les conditions qui contribuent à son bon fonctionnement :

Écoulement en masse : la totalité du contenu est en mouvement dès que le matériau est vidé dans la trémie. Il s’agit d’une séquence de débit « premier entré, premier sorti ». Idéal pour les matériaux en poudre, cohésifs, qui se dégradent avec le temps, ou dont il faut minimiser la ségrégation.

Avantages: absence de matériau stagnant, réduction de la ségrégation, vidange stable avec une densité constante, débit massique uniforme et contrôlable
Désavantages: paroi soumise à l’usure abrasive, existence d’un pic de pression interne dans la zone de transition entre la trémie et le cylindre et besoin d’une hauteur plus grande pour une capacité donnée
Conditions pour obtenir un écoulement en masse : paroi de la trémie à pente suffisamment raide et/ou glissante (faible coefficient de friction) et absence de formation d’arche cohésive (ou de voûte)

Écoulement en noyau : un canal d’écoulement se forme au-dessus de l’ouverture de vidange du silo. Le matériau stagnant est en périphérie. Le niveau baisse au centre avec les couches de matériaux non-coulants qui glissent dans le canal d’écoulement. Il s’agit d’une séquence de débit « premier entré, dernier sorti ». Idéal pour les matériaux qui ne se dégradent pas avec le temps, qui ne sont pas affectés par la ségrégation, et dont une séquence de débit « premier entré, dernier sorti » est acceptable.

Avantages : paroi non soumise à l’usure par abrasion, pression modérée sur la paroi et plus grande capacité de stockage pour une hauteur donnée
Désavantages : peut causer de sérieux problèmes d’écoulement, de qualité de produit et de fiabilité de manutention. Les matériaux fluidisés n’ont pas le temps de se désaérer et demeurent fluidisés dans le canal d’écoulement qui peut mener à une inondation lors de la décharge. Les produits périssables se dégraderons dans les régions stagnantes du silo. La régularité de la décharge n’est pas aussi bonne qu’avec un écoulement en masse
Conditions pour obtenir un écoulement en noyau : paroi de la trémie à faible pente et/ou peu glissante, absence de formation d’arche cohésive, sortie assez grande pour éviter la formation de cheminée d’écoulement

Étape 6 – définir la géométrie de la trémie en fonction du mode d’écoulement requis

Écoulement en masse

La trémie convergente doit être assez raide et la friction de la paroi doit être assez basse pour faciliter l’écoulement du matériau sans régions stagnantes. De plus, la sortie doit être assez large pour empêcher la formation d’une arche cohésive et atteindre le débit de décharge requis. Pour déterminer les dimensions minimales qui permettront d’éviter une arche, il faut connaître la force cohésive et la friction interne du matériau.

L’écoulement en masse ou en noyau dépend à la fois de l’angle de la trémie et de l’angle de friction de la paroi. Un solide en vrac avec une friction élevée comme le sable de plage va nécessiter un angle de trémie plus raide qu’un solide avec une friction basse.

La majorité des trémies coniques ont un angle de 60° (mesuré par rapport á l’horizontale) car celui-ci est optimal pour minimiser les pertes de matériau pendant la fabrication. Il ne garantira cependant pas un écoulement en masse !

Écoulement en noyau

La sortie de la trémie doit être assez large pour éviter une arche cohésive ou une cheminée, et les parois doivent avoir une pente assez raide pour assurer l’autonettoyage (c’est-à-dire que le silo puisse se vider complètement par lui-même).

Pour déterminer les dimensions minimales qui permettront d’éviter une arche ou une cheminée, il faut connaître la force cohésive et la friction interne du matériau. Notez que les silos pour l’écoulement en masse sont conçus indépendamment de la taille et de l’échelle, ce qui n’est pas le cas pour l’écoulement en noyau. Puisque la formation de cheminées d’écoulement est affectée par la pression de consolidation, le risque est plus élevé dans les silos plus larges. Les cheminées d’écoulement ne pouvant pas se former avec l’écoulement en masse, la taille du silo dans ce cas-là n’est pas importante. Pour concevoir un silo qui s’auto-vide, il vous faut des angles de trémie plus raides que l’angle de friction du mur. Cette règle part du principe qu’une cheminée d’écoulement ne s’est pas formée.

Étape 7 – développer la géométrie globale du silo

Il est préférable d’utiliser une section carrée ou rectangulaire aux parois plates au lieu d’une section circulaire. Elle est plus facile à fabriquer et offre une plus grande section transversale par unité de hauteur. Cependant, les problèmes d’écoulement ou structuraux l’emportent souvent sur ces avantages. Les parois plates sont plus susceptibles d’être pliées, tandis qu’un cylindre pourra mieux résister aux pressions internes grâce à la contrainte circonférentielle. Une section circulaire aura des parois plus fines et moins de renforcement. De plus, il n’y aura pas de coins où le matériau pourrait s’accumuler, ce qui est particulièrement important à l’interface entre le silo et la trémie.
Des facteurs à considérer :

La hauteur libre
La dimension de la sortie
Le débit de décharge
Les coins pointus ou arrondis
Le coût en capital

Étape 8 – choisir l’alimentateur

L’alimentateur est tout aussi important que la trémie. Pour être efficace, un alimentateur doit tirer le matériau de manière uniforme à travers l’aire complète de la sortie. Un alimentateur mal conçu peut entraîner un mode d’écoulement en noyau, même si la trémie est conçue pour un mode d’écoulement en masse !

Étape 9 – tenir compte d’autres éléments fonctionnels

Lors de la conception des silos, il est important de tenir compte d’autres éléments du système, par exemple :

La porte de sortie ou vanne d’arrêt
Le nombre de sorties
Les détecteurs de niveau
La protection contre l’explosion
La porte d’accès, les passages, et les ouvertures
Les échelles, les rampes et les plateformes

Étape 10 – choisir un matériau de construction

Les silos peuvent être construits avec différents matériaux de construction, mais sont souvent en métal ou en béton armé.

Silos en métal

Ces silos peuvent être fabriqués en acier au carbone, en acier inoxydable, ou en aluminium. Ils sont souvent supportés par une jupe accrochée à une base de béton ou par des soutiens de jambes. Les panneaux peuvent avoir une connexion soudée, boulonnée, bridée, ou hybride.

Avantages :

Fabrication flexible
Construction sanitaire
Variété de matériaux
Flexibilité de construction

Silos en béton

En général, lorsque le diamètre du silo est supérieur à 9 m, un silo en béton renforcé devient plus économiquement attrayant, surtout pour les matériaux en vrac abrasifs ou chauds, ou si la structure de stockage va incorporer des fonctionnalités supplémentaires (équipement de traitement).