Equation Chapter 1 Section 1
Trabajo Fin de Máster
Máster en Ingeniería Industrial
Manipulación de sólidos a granel en terminales
portuarias. Dimensionamiento de instalaciones
Autor: Juan Antonio Fernández Jiménez
Tutor: Emilio Romero Rueda
Dep. de Ingeniería de la Construcción y
Proyectos de Ingeniería
Universidad de Sevilla
iii
Trabajo Fin de Máster
Máster en Ingeniería Industrial
Manipulación de sólidos a granel en terminales
portuarias. Dimensionamiento de instalaciones
Autor:
Juan Antonio Fernández Jiménez
Tutor:
Emilio Romero Rueda
Profesor asociado
Dep. de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
v
Trabajo Fin de Máster: Manipulación de sólidos a granel en terminales portuarias. Dimensionamiento de instalaciones
Autor: Juan Antonio Fernández Jiménez Tutor: Emilio Romero Rueda
El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros:
Presidente:
Vocales:
Secretario:
Acuerdan otorgarle la calificación de:
Sevilla, 2018
vii
ix
Agradecimientos
Con la realización de este trabajo pongo fin al objetivo de realizar el Máster en Ingeniería Industrial, el cual me propuse allá por 2015. Llegado este momento, solo puedo confirmar que tomé la decisión correcta, ya que la experiencia ha sido gratificante, tanto a nivel académico como a nivel personal.
A nivel académico, por haber podido complementar mis estudios anteriores al lado de grandes profesores, de los que, en mayor o menor medida, siempre he aprendido algo. Sirva este parráfo, como agradecimiento a todos y cada uno de ellos.
A nivel personal, por haber conocido una nueva universidad, una nueva ciudad y sobre todo, unos nuevos compañeros, entre los que me llevo algunos buenos amigos. Gracias a todos ellos por hacer buenísimos los buenos momentos y más llevaderos los menos buenos.
Agradecer también el apoyo a mis amigos de siempre, y a los no tan de siempre y que ahora son importantes. Por último, todo esto no hubiera sido posible sin mi familia. En especial a mis padres por brindarme el apoyo necesario, tanto en lo económico como en lo personal, para poder haber llegado hasta aquí. Muchas gracias por todo.
Juan Antonio Fernández Jiménez Sevilla, 2018
xi
Resumen
El comercio marítimo de mercancías es una de las bases de la economía mundial. Dentro de este comercio de mercancías existen varios tipos, entre los que se incluye el comercio de sólidos a granel.
El comercio marítimo de sólidos a granel lleva asociada una serie de operaciones de manipulación, entre las que se encuentran el transporte y el almacenamiento. Para el correcto desarrollo de estas operaciones, es esencial contar con las infraestructuras adecuadas.
En los últimos años se ha intensificado el tráfico marítimo y los puertos han dejado de ser meros intercambiadores de transporte marítimo a terrestre, o viceversa. Se han enfocado hacia la actividad industrial, especializándose e integrándose en las cadenas logísticas de diferentes industrias. Para dar respuesta a la demanda y realizar las operaciones de manipulación necesaria, sin que se vea afectada la actividad productiva, surgen las terminales de graneles sólidos.
En el presente trabajo, se ha intentado describir las instalaciones principales que presentan este tipo de terminales para la correcta manipulación de los productos, desde su llegada a puerto hasta su salida.
Por último, en base a la información teórica recogida, se ha desarrollado una herramienta infomática capaz de dimensionar los recursos básicos con los que debe contar una terminal de este tipo para dar respuesta a una determinada demanda.
xiii
Abstract
Goods maritime trade is an essential activity in the global economy. Bulk solids maritime trade is part of this kind of trade.
Bulk solids maritime trade includes different handling activities, as its transport and its storage. In order to carry out this activities successfully, it requires the appropriate facilities.
In last years, maritime trade has been increased and the ports have ceased to be simple intermodal transports joins. They have been focused to the industrial activity, being part of the supply chain in different industries. In order to realise correctly the handling operations, it have been created the Bulk Solids Terminals.
In this project, it will be treated the topic of the bulk solids handling, focusing in the necessary facilities to realise that properly. These facilities includes handling equipments and storages.
Finally, applying the theory bases, it has been developed a computer application which is able to determine the main necessary characteristics of a Bulk Solid Terminal which must respond to a specific requires.
xv
Índice
Agradecimientos ix Resumen xi Abstract xiii Índice xvÍndice de Tablas xvii
Índice de Figuras xix
Notación xxiii
1 Introducción 1
2 La Actividad Portuaria. Generalidades 5
2.1. Evolución de las infraestructuras portuarias hacia la actividad industrial 5 2.2. Infraestructuras portuarias 6
2.1.1 Instalaciones de abrigo y acceso 6
2.1.2 Instalaciones de atraque, tráfico y mantenimiento 7
2.1.3 Instalaciones de manipulación de cargas 7
2.1.4 Instalaciones de reparación o mantenimiento de buques 8
2.3. Modelos de gestión de puertos 9
2.3.1 Service Port 10
2.3.2 Tool Port 10
2.3.3 Landlord Port 10
2.3.4 Full Private Port 10
2.4. Modelos de operación 11
2.5. Operaciones portuarias 11
2.5.1 Operaciones administrativas 11
2.5.2 Operaciones de practicaje 12
2.5.3 Operaciones de remolque 12
2.5.4 Operaciones de amarre y desamarre 13
2.5.5 Operaciones de carga, descarga, estiba, desestiba y transbordo de mercancías 13
2.6. El Sistema Portuario español 13
3 Sólidos a granel. Manipulación y características 17
3.1 Avances en la manipulación de sólidos a granel 17 3.2 Propiedades de los sólidos a granel 18 3.3 Propiedades de los sólidos a granel con incidencia en su transporte 20 3.4 Propiedades de los sólidos a granel con incidencia en el almacenamiento 21 3.5 Ensayos para determinar las propiedades con afección en la manipulación de sólidos a granel 21
3.5.1 Ensayo del plato de fluidización 22
3.5.2 Ensayo de penetración 23
3.5.3 Ensayo Proctor/Fagerberg 23
3.5.4 Ensayo de Jenike y Johanson 24
4 Terminales portuarias de sólidos a granel 27
4.1 Terminal de graneles sólidos 27 4.2 División de una terminal de graneles sólidos en subsistemas 27
5 Terminales Portuarias de sólidos a granel. Subsistema de carga/descarga 29
5.1 Buques graneleros 29
5.1.1 Clasificación de buques graneleros 31
5.2 Equipos de carga y descarga de buques 32
5.2.1 Brazo de carga giratorio 32
5.2.2 Buques grúa 33
5.2.3 Pórtico cargador 34
5.2.4 Cinta transportadora móvil 35
5.2.5 Grúa pórtico 35
5.2.6 Descargador neumático 36
5.2.7 Descargador mecánico 37
5.2.8 Grúa-cuchara 38
5.3 Parámetros a considerar en el dimensionamiento del subsistema de carga/descarga 40
5.3.1 Características del puerto y volumen anual de operación 40
5.3.2 Características de los productos a operar 41
6 Terminales portuarias de sólidos a granel. Subsistema de transporte interno 43
6.1 Transporte interno discontinuo 43 6.2 Transporte interno continuo 44
6.2.1 Transportador de cintas 44
6.2.2 Transportador de cadenas 45
6.2.3 Transportador de tornillo sin fin 46
6.2.4 Transportador neumático 47
6.2.5 Transportador de lecho fluido 47
6.2.6 Transportador de cangilones 48
6.3 Parámetros a considerar en el dimensionamiento del subsistema de transporte interno 49
6.3.1 Continuidad o discontinuidad de los subsistemas adyacentes 49
6.3.2 Características de los productos y ritmo de operación 49
7 Terminales portuarias de sólidos a granel. Subsistema de almacenamiento 51
7.1 Almacenamiento en parque de graneles 51 7.2 Almacenamiento en silo vertical 52
7.3 Almacenamiento en domo 53
7.4 Almacenamiento horizontal 55
7.4.1 Parámetros a considerar en el diseño de un almacén horizontal 56
8 Terminales portuarias de sólidos a granel. Subsistema Entrega/Recepción 67 9 Herramienta de diseño de terminal de sólidos a granel 71
9.1 Consideraciones de diseño 71 9.2 Pestaña 0. Instrucciones de uso/ayuda 72 9.3 Pestaña 1.1. Características generales de la operación 73 9.4 Pestaña 1.2. Determinación del ritmo de operación necesario 77 9.5 Pestaña 1.3. Dimensionamiento del subsistema de descarga 81 9.6 Pestaña 1.4. Dimensionamiento del subsistema de transporte interno 88 9.7 Pestaña 1.5 Dimensionamiento del subsistema de almacenamiento 99
9.8 Pestaña 2. Resumen 124
Referencias 125
xvii
Í
NDICE DE
T
ABLAS
Tabla 9-1 Calados máximos de los puertos andaluces 73
Tabla 9-2 Productos recogidos en la base de datos de la herramienta 74 Tabla 9-3 Meses de operación a ritmo constante en base al tipo de terminal y al número de productos 75
Tabla 9-4 Coeficintes de distribución temporales 75
Tabla 9-5 Características de los productos recogidos en la base de datos 76 Tabla 9-6 Tipo de buques recogidos en la herramienta y su capacidad máxima 77
Tabla 9-7 Volumen máximo transportado por cada tipo de buque 79
Tabla 9-8 Tiempo de preparación para cada tipo de buque 79
Tabla 9-9 Modelos de grúas fijas recogidas por la herramienta y sus características 82 Tabla 9-10 Modelos de grúas fijas recogidas por la herramienta y sus características 83
Tabla 9-11 Cucharas para densidades menores a 0,8 t/m3 83
Tabla 9-12 Cucharas para densidades menores a 1,1 t/m3 84
Tabla 9-13 Cuchara para densidades menores a 1,8 t/m3 85
Tabla 9-14 Cucharas para densidades menores a 2,8 t/m3 85
Tabla 9-15 Cucharas para densidades menores a 3,2 t/m3 86
Tabla 9-16 Dimensiones de las cucharas para densidades menores de 0,8 t/m3 89 Tabla 9-17 Dimensiones de las cucharas para densidades menores de 1,1 t/m3 89 Tabla 9-18 Dimensiones de las cucharas para densidades menores de 1,8 t/m3 90 Tabla 9-19 Dimensiones de las cucharas para densidades menores de 2,8 t/m3 90 Tabla 9-20 Dimensiones de las cucharas para densidades menores de 3,2 t/m3 91
Tabla 9-21 Anchos de bandas transportadoras normalizados 93
Tabla 9-22 Longitud de rodillos necesaria en función del tipo y ancho de banda 93 Tabla 9-23 Peso de los rodillos en función a su longitud y diámetro 94
Tabla 9-24 Valores del coeficiente C 95
Tabla 9-25 Resistencia de cada tipo de banda 97
Tabla 9-26 Tambores de accionamiento normalizados 97
Tabla 9-27 Diámetros mínimos de tambores de accionamiento en función de la resistencia de la banda 98
Tabla 9-28 Potencia de motores normalizados 99
Tabla 9-29 Alturas de muros centrales en función de su tipología 103
Tabla 9-30 Dimensiones de muros extremos y separadores interiores en función de su tipología 103
Tabla 9-31 Altura de los separadores interiores móviles 103
Tabla 9-32 Longitud de nave de almacenamiento de la nave en base a los distintos criterios de
xix
Í
NDICE DE
F
IGURAS
Figura 1-1 Influencia de los distintos países en el comercio internacional (Fuente: www.wto.org) 1 Figura 1-2 Evolución del comercio marítimo de productos sólidos a granel en España 3 Figura 2-1 Escollera más grande de Latinoamérica (Veracruz, México) (Fuente: liberal.com.mx) 6 Figura 2-2 Muelle puerto comercial (Fuente: berengueringenieros.com) 7 Figura 2-3 Zona de manipulación de cargas de un muelle comercial (Fuente: otomasyondergisi.com.tr) 8
Figura 2-4 Dique seco (Fuente: pmicolombia.org) 9
Figura 2-5 Dique flotante (Fuente: cernaval.com) 72
Figura 2-6 Operación de remolque de un buque granelero (Fuente: solarconflict.com) 13 Figura 2-7 Autoridades Portuarias españolas (Fuente: contratossectorpublico.es) 14 Figura 3-1 Manipulación de graneles agroalimentarios en el Valle del Nilo (Fuente: histclo.com) 17 Figura 3-2 Curva de compactación, ensayo Proctor (Fuente: BOE-A-2011-7325) 24
Figura 3-3 Medidor de tensión cortante (Fuente: jenike.com) 25
Figura 3-4 Ángulo de reposo de un material a granel (Fuente: cuevadelcivil.com) 26 Figura 4-1 Subsistemas de una terminal portuaria (Fuente: urbanismoytransporte.com) 28 Figura 5-1 Buque granelero más grande del mundo (Fuente: vadebarcos.net) 29 Figura 5-2 Buque granelero en posición de carga/descarga (Fuente: stockcargo.eu) 30 Figura 5-3 Distribución bodegas y tanques de lastrado en graneleros (Fuente: marineinsight.com) 30 Figura 5-4 Estabilización de buques graneleros cargados y descargados (Fuente: exponav.org) 31 Figura 5-5 Brazo de carga giratorio (Fuente: visionmaritima.com.uy) 33
Figura 5-6 Buque-grúa (Fuente: nauticexpo.es) 34
Figura 5-7 Pórtico cargador (Fuente: nauticexpo.es) 34
Figura 5-8 Cinta transportadora móvil (Fuente: tusa.es) 35
Figura 5-9 Grúa pórtico (Fuente: konecranes.com) 36
Figura 5-10 Descargador neumático (Fuente: nauticexpo.es) 37
Figura 5-11 Descargador mecánico (Fuente: nauticexpo.es) 37
Figura 5-12 Grúa fija (Fuente: macgregor.com) 38
Figura 5-13 Grúa móvil (Fuente: liebherr.com) 39
Figura 5-14 Cuchara bivalva de carga/descarga (Fuente: http://es.janusgrab.com) 39
Figura 5-15 Calado de un buque (Fuente: ingenieromarino.com) 40
Figura 5-16 Manga y eslora de un buque (Fuente: rowingcultures.wordpress.com) 40 Figura 6-1 Camión tipo volquete (Fuente: tierrasgarciamoreno.com) 44
Figura 6-3 Cinta transportadora tipo Artesa (Fuente: http://scheimerltda.com) 45 Figura 6-4 Transportador de cadenas (Fuente: ferrumelevacion.com) 46 Figura 6-5 Transportador de tornillo sin fin (Fuente: zkmachine.es) 46
Figura 6-6 Esquema transportador neumático (Fuente: air-tec.it) 47
Figura 6-7 Transportador de lecho fluido (Fuente: Libro Guía de buenas prácticas en la manipulación de
graneles sólidos en instalaciones portuarias) 48
Figura 6-8 Elevador de cangilones (Fuente: es.yingdaconveyor.com) 48
Figura 6-9 Tolva de recepción (Fuente: spanish.alibaba.com) 49
Figura 7-1 Almacenamiento en parque de graneles (Fuente: diarioinformacion.com) 52 Figura 7-2 Silos de almacenamiento de base plana (Fuente: symaga.com) 53 Figura 7-3 Silos de almacenamiento de base cónica (Fuente: simeza.com) 53
Figura 7-4 Domo de almacenamiento (Fuente: geometrica.com) 54
Figura 7-5 Interior de un domo de almacenamiento (Fuente: geometrica.com) 54
Figura 7-6 Almacén horizontal (Fuente: europapress.es) 55
Figura 7-7 Interior almacén horizontal (Fuente: comiva.com.br) 55
Figura 7-8 Empujador de hoja vertical (Fuente: http://procedimientosconstruccion.blogs.upv.es) 57 Figura 7-9 Descarga mediante cinta cenital y carro tripper (Fuente: aggregateequipment.ca) 58 Figura 7-10 Apilador longitudinal alimentado por cinta transportadora (Fuente: logismarket.com.mx) 59 Figura 7-11 Separador de hormigón prefabricado (Fuente: lufort.com) 62 Figura 7-12 División interior de nave de almacenamiento mediante separadores prefabricados (Fuente:
prefabricadosagustin.com) 62
Figura 7-13 Pala cargadora de graneles (Fuente: interempresas.net) 63 Figura 7-14 Tolva de descarga subterránea (Fuente: Libro Guía de buenas prácticas en la manipulación de
graneles sólidos en instalaciones portuarias) 63
Figura 7-15 Salida de cinta transportadora subterránea (Fuente: Libro Guía de buenas prácticas en la
manipulación de graneles sólidos en instalaciones portuarias) 64
Figura 7-16 Recuperador de cadenas de pórtico (Fuente: directindustry.fr) 64
Figura 7-17 Recuperador de cangilones (Fuente: nhi-sy.com) 65
Figura 8-1 Zona de pesaje de camiones (Fuente: http://basculas-y-pesaje.blogspot.com) 67 Figura 8-2 Toma de muestras en función de la capacidad de transporte 68 Figura 8-3 Muestreo automático en camión (Fuente: interempresas.net) 69 Figura 8-4 Método de muestreo manual (Fuentes: directindustry.es & microclar.com) 69
Figura 9-1 Tipo de celdas en función de su color de relleno 72
Figura 9-2 Ayuda en celda de entrada de datos 72
Figura 9-3 Ayuda en celdas de valor modificable por el usuario 72
Figura 9-4 Ayuda en apartado de cálculo 73
Figura 9-5 Parámetros necesarios en la determinación del ciclo de la grúa 82 Figura 9-6 Plano transversal en almacenamiento con tripper con posibilidad de movimiento transversal 100 Figura 9-7 Plano transversal en almacenamiento con tripper sin posibilidad de movimiento transversal 101
xxi
Figura 9-9 Diferentes estrategias de llenado de silos consideradas 102 Figura 9-10 Diferentes geometrías de muros consideradas y sus dimensiones principales 102 Figura 9-11 Opciones de dimensionamiento de la nave de almacenamiento 104 Figura 9-12 Altura de almacenamiento transversal con carga con tripper con movimiento transversal y sin
movimiento transversal, respectivamente 106
Figura 9-13 Altura de almacenamiento de productos con un ángulo de reposo menor al formado por sus alturas
de llenado transversales 107
Figura 9-14 Aproximación geométrica regular a la distribución del granel almacenado 107 Figura 9-15 Exceso de material considerado en los conos esquineros para minimizar pérdidas 109 Figura 9-16 Modelo geométrico de cálculo tomado por la herramienta incluyendo muros (3D alámbrico)
110 Figura 9-17 Modelo geométrico de cálculo tomado por la herramienta sin incluir muros (3D sólido) 110 Figura 9-18 Características del almacenamiento con muros longitudinales extremos 111 Figura 9-19 Altura de almacenamiento máxima considerando muros longitudinales. Tripper con movimiento
transversal y sin movimiento transversal, respectivamente 111
Figura 9-20 Plano de almacenamiento transversal con muros longitudinales extremos 112 Figura 9-21 Aproximación a un modelo geométrico regular de la distribución real del granel almacenado
(Caso 1) 114
Figura 9-22 Aproximación a un modelo geométrico regular de la distribución real del granel almacenado
(Caso 2) 117
Figura 9-23 Aproximación a un modelo geométrico regular de la distribución real del granel almacenado
(Caso 3) 120
Figura 9-24 Aproximación a un modelo geométrico regular de la distribución real del granel almacenado
xxiii
Notación
cos Función coseno
max Máximo
min Mínimo
sen Función seno
tg Función tangente < Menor > Mayor ≤ Menor o igual ≥ Mayor o igual exp Número e * Operación de multiplicación
1
1 I
NTRODUCCIÓN
l comercio de graneles sólidos representa, en base a datos económicos ofrecidos por distintas organizaciones oficiales, una actividad importante y al alza dentro del comercio internacional de mercancías. A su vez, el comercio internacional de mercancías es uno de los grandes motores de la economía mundial.
Según datos de la Organización Mundial del Comercio (OMC), el comercio internacional de mercancías ha crecido un 32% desde el año 2006.
Los países con una mayor importancia dentro de dicho comercio son China, Estados Unidos, Alemania, Japón y Francia, los cuáles realizaron, en 2016, el 38% de las transacciones comerciales internacionales. España se sitúa en un segundo grupo de potencias en lo referido a comercio internacional.
Figura 1-1 Influencia de los distintos países en el comercio internacional
Por otra parte, hablar de comercio internacional es hablar de transporte marítimo. El 90% de las transacciones internacionales se realizan mediante este tipo de transporte.
Las características más importantes del transporte marítimo, las cuales lo convierten en la base de este tipo de comercio, son las siguientes:
- En términos generales, es más económico que el resto de tipos de transporte, dependiendo de la carga y del trayecto a realizar.
Introducción
2
- Presenta una gran fiabilidad.
- Presenta gran agilidad en el paso de aduanas.
- Presenta una capacidad superior al resto de modos de transporte. - Presenta un alto índice de seguridad.
- Está en permanente evolución.
Dentro del comercio marítimo de mercancías, se pueden distinguir cuatro grandes grupos: - Mercancías generales
- Líquidos a granel - Sólidos a granel - Contenedores
Centrando el punto de vista en el comercio marítimo de mercancías en España, se presenta a continuación un breve análisis de la evolución desde 2010 de cada uno de estos cuatro grandes grupos comentados.
Los datos han sido recogidos del Informe Anual de los Transportes y las Infraestructuras de 2016, publicado por el Ministerio de Fomento, último informe publicado hasta la fecha. Los datos que se muestran de 2017, han sido recogidos por diversos organismos aunque aún no se ha publicado la edición del Informe Anual del Ministerio de Fomento de dicho año.
En 2010, el tráfico total de mercancías portuarias fue de 418,76 millones de toneladas, de los cuales 78,74 millones correspondieron a gráneles sólidos y 149,22 millones a graneles líquidos. Dentro de los gráneles sólidos destacó el tráfico de carbón con 20,56 millones de toneladas. No se distingue entre mercancías generales y contenedores, siendo la suma de éstos 190,80 millones de toneladas.
En el año 2011 el total de mercancías portuarias movidas en España fue de 443,69 millones de toneladas. El tráfico de gráneles sólidos experimentó un pequeño aumento del 0,6%, con un total de 79,25 millones de toneladas. El tráfico de graneles líquidos aumentó en menor medida, alcanzando un total de 150,75 millones. En el 2012 se registró un gran aumento en el tráfico de gráneles sólidos con 88,58 millones de toneladas (11,77%). El total de mercancías portuarias fue de 461,06 millones de toneladas, de los que 153,38 fueron de graneles líquidos.
En 2013 descendió tanto el total de mercancías portuarias como el tráfico de gráneles sólidos y líquidos, con 445,63, 80,3 y 151,97 millones de toneladas, respectivamente.
El tráfico portuario de mercancías en 2014 se incrementó con respecto al anterior hasta la cifra de 468,10 millones de toneladas. En gráneles sólidos se produjo un incremento del 11,5% respecto a 2013, alcanzando las 89,56 millones de toneladas y representando el 18,6% de las mercancías movidas.
En este año 2014 el puerto con el tráfico más elevado fue el de Gijón con 16,21 millones de toneladas. Le siguen el de Tarragona con 9,71 millones, el de Ferrol con 9,5 millones, el de Cartagena con 5,31 millones, el de Barcelona con 4,76 millones, y el de Bilbao y Huelva con 4,59 millones.
En 2015 el tráfico total fue de 488,06 millones de toneladas, experimentando el tráfico de gráneles sólidos un 7,2% de aumento respecto a 2014 con 96,01 millones de toneladas.
El puerto con el tráfico más elevado fue el de Gijón con 18,22 millones de toneladas. Le siguen el de Ferrol con 9,55 millones, el de Tarragona con 7,47 millones, el de Bilbao con 4,42 millones y el de Barcelona con 4,22 millones.
En 2016, se mantuvo el crecimiento, aunque de forma moderada. El tráfico total de mercancías se elevó a 495 millones de toneladas, un 1,4% superior al año anterior. El tráfico de graneles sólidos experimentó un descenso del 4,4% respecto al año anterior, alcanzando un valor de 91,6 millones de toneladas.
3
3 Manipulación de sólidos a granel en terminales portuarias. Dimensionamiento de instalaciones
transacciones con graneles sólidos.
En 2017, se registró un aumento del 10,9% en el total del tráfico portuario de mercancías con un total de 544,97 millones de toneladas. Se experimentaron crecimientos en todos los tipos de tráficos.
El tráfico de graneles sólidos experimentó un crecimiento del 11,18%, con un total de 101,04 millones de toneladas.
Figura 1-2 Evolución del comercio marítimo de productos sólidos a granel en España
De la información anterior, se puede concluir que el comercio de sólidos a granel sigue una evolución ascendente en los últimos años, habiendo experimentado un crecimiento de más del 25% desde el año 2010, alcanzándose la centena de millones de toneladas y previéndose una continuación de dicha evolución ascendente.
Además de en el plano económico, este tipo de tráfico es de suma importancia, ya que representa una buena parte de la materia prima alimentaria, industrial y energética que se consume en nuestro país.
Como ejemplo, atendiendo a los graneles agroalimentarios, el consumo español oscila en una cifra anual de 45 millones de toneladas. La producción propia del país es de unos 15 o 20 millones de toneladas, por lo tanto es esencial la importación de este tipo de graneles sólidos.
Por todo lo expuesto anteriormente, se ha considerado interesante dedicar el presente trabajo al comercio marítimo de sólidos a granel, concretamente a la manipulación de estos (transporte y almacenamiento) dentro de las infraestructuras portuarias.
Se comenzará detallando una serie de generalidades sobre la actividad portuaria, las cuales son necesarias para comprender la actividad portuaria específica con graneles sólidos.
Posteriormente, se pasará a estudiar el material en cuestión: los graneles sólidos. Se realizará una clasificación general atendiendo a sus características y se indicará cuáles de ellas tienen mayor importancia en las distintas actividades de manipulación, así como los distintos ensayos a los que se someten para determinar estas características.
Una vez presentadas las características de los productos en cuestión, se centrará el trabajo en las terminales portuarias que operan con dicho tipo de mercancía. Se discretizarán sus actividades y se describirán los
0 20 40 60 80 100 120 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017
Evolución del tráfico de graneles sólidos desde el año
2010 (millones de toneladas)
Introducción
4
equipos que pueden realizarlas.
Como último objetivo del trabajo y con el fin de poner en práctica alguno de los contenidos que en él se muestran, se ha desarrollado una herramienta informática (Excel) que dimensiona, a partir de unos sencillos datos de entrada, la operación de descarga y almacenamiento de diferentes graneles sólidos en una terminal portuaria.
5
2 L
A
A
CTIVIDAD
P
ORTUARIA
.
G
ENERALIDADES
ntes de comenzar a detallar las actividades portuarias dedicadas exclusivamente a la manipulación de sólidos a granel, es importante conocer las principales características de la actividad portuaria en general.
Además, es interesante detallar las características de las infraestructuras portuarias existentes en la actualidad, así como repasar qué factores han influido en la evolución de estas hasta llegar a la situación actual.
2.1. Evolución de las infraestructuras portuarias hacia la actividad industrial
Para el correcto desarrollo del comercio internacional mediante transporte marítimo, es necesario contar con las infraestructuras adecuadas para realizar las distintas operaciones que intervienen en dicho comercio. La historia del transporte marítimo y el desarrollo de infraestructuras portuarias están íntimamente ligadas a la navegación y al comercio marítimo.
Aunque probablemente existieran navegantes con anterioridad, los primeros puertos de los que se tiene constancia datan del 2000 a.C, pertenecientes a egipcios y fenicios. Posteriormente, los griegos aportaron grandes avances a las infraestructuras portuarias. El auge llegó con el imperio romano, durante el que se construyeron infraestructuras portuarias que no pudieron ser superadas en los 1500 años posteriores y de los que aún se conservan numerosos restos.
A lo largo de los siglos, esta capacidad para construir las infraestructuras necesarias es la que ha ido marcando la evolución del transporte marítimo y el comercio internacional.
Hasta el s.XIX los puertos solo ejercían la función de fondeadero en los cuales los armadores cargaban o descargaban las mercancías mediante barcas que iban desde el barco fondeado a la orilla (maniobra conocida como barqueo).
En la última mitad del siglo pasado, cuando el comercio estaba claramente diferenciado del transporte de pasajeros y los barcos eran cada vez mayores y más rápidos, se observa que el barqueo resulta antieconómico, ya que se requerían tiempos de espera en puerto mucho mayores que los tiempos de viaje. En este momento, se comienzan a construir muelles válidos para cualquier tipo de tráfico, los cuales facilitaban las operaciones de carga y descarga, reduciendo los tiempos de espera en puerto.
En los últimos años, se ha intensificado el tráfico marítimo internacional, los buques se han especializado en el transporte de cierto tipo de mercancías y las industrias se han instalado en los puertos o muy cerca de ellos, para no recargar el coste unitario de las materias primas importadas debido al transporte terrestre.
Debido a esto, en la actualidad, los puertos han sobrepasado la función clásica de actuar como modo de intercambio entre el transporte terrestre y el marítimo. Los puertos tienden cada vez más a integrarse en las cadenas logísticas de producción, transporte y distribución, convirtiéndose en más que un eslabón en la cadena del transporte de mercancías.
Esta integración en la actividad productiva ha llevado al aumento de la competencia entre puertos y a la especialización de las operaciones.
Todos estos avances se ven reflejados en la definición actual de puerto ofrecida por la UNCTAD (United Nations Conference on Trade and Development): “Los puertos son interfaces entre los distintos modos de
La Actividad Portuaria. Generalidades
6
transporte y son típicamente, centros de transporte combinado. Son áreas multifuncionales, comerciales e industriales donde las mercancías no están únicamente en tránsito, sino que también son manipuladas, almacenadas, manufacturadas y distribuidas”.
2.2. Infraestructuras portuarias
Completando la definición anterior se puede incluir en el concepto de puerto una mención relativa a su finalidad principal, que es que un puerto es aquel lugar de la costa (natural o artificial) que permite a las embarcaciones realizar las operaciones para las que están destinadas, al estar protegidas de la fuerza de los elementos e inclemencias del mar.
Los puertos “naturales” están situados en bahías o zonas costeras cerradas, mientras que los puertos “artificiales” están protegidos de los elementos del mar por instalaciones creadas por el hombre tales como diques, muelles, dársenas,…
Las instalaciones creadas en puertos artificiales más importantes son: - Instalaciones de abrigo y acceso
- Instalaciones de atraque, tráfico y almacenamiento - Instalaciones para la manipulación de cargas
- Instalaciones de reparación y mantenimiento de buques
2.1.1 Instalaciones de abrigo y acceso
Las instalaciones de abrigo y acceso están destinadas a proporcionar protección contra la acción de los elementos naturales a los buques atracados en él.
Las instalaciones de abrigo y acceso más importantes son las escolleras y los diques rompeolas.
Las escolleras son estructuras compuestas por conjuntos de bloques de piedra u hormigón, depositados en el mar, para proteger un puerto de la acción del oleaje.
Los diques rompeolas son estructuras creadas mediante la superposición de capas de elementos de diferentes granulometrías, cuyo objetivo es la reducción de la energía procedente del oleaje que entra en el lugar a proteger. También son conocidos como espigones, y existen distintos tipos como en talud, el vertical, el flotante,…
Para una correcta construcción de una escollera se recomienda usar bloques de escollera con algunas características como que posean una densidad superior o igual a 2500 kg/m3, que posean una resistencia a la
compresión superior a 60 MPa y que presenten una pérdida de masa de menos del 2% al sumergirlas.
7 Manipulación de sólidos a granel en terminales portuarias. Dimensionamiento de instalaciones
2.1.2 Instalaciones de atraque, tráfico y mantenimiento
Las instalaciones de atraque, tráfico y almacenamiento son las instalaciones que facilitan las distintas operaciones portuarias. Las más importantes son los muelles o fondeaderos y las instalaciones de depósito. Los muelles de atraque son construcciones afianzadas en la orilla del mar que permiten a las diferentes embarcaciones atracar, de cara a realizar maniobras de carga y descarga, tanto de mercancías como de pasajeros. Los muelles deben ofrecer una capacidad vertical suficiente para albergar el calado de las embarcaciones y una superficie horizontal que permita el resto de operaciones asociadas al atraque de una embarcación.
Figura 2-2 Muelle puerto comercial
Los puertos comerciales, de cara a mejorar sus prestaciones, tienden a la especialización de estos muelles. Normalmente, a los muelles que están destinados a una actividad específica, se les conoce como terminales. Algunas de las terminales comerciales más conocidas son las de carga general o contenedores, las de graneles líquidos y las de graneles sólidos.
2.1.3 Instalaciones de manipulación de cargas
Las instalaciones de manipulación de cargas se ubican próximas a la zona de carga y descarga del muelle. En esta zona es donde se sitúa el equipamiento necesario para las operaciones de carga, descarga y almacenamiento/envío.
Estas instalaciones pueden variar en superficie en función del tipo de actividad del puerto. Puede contener espacios de almacenamiento al aire libre o cerrado y medios de carga de diferentes tipos de transporte, de cara a realizar la comunicación intermodal entre el transporte marítimo y el transporte terrestre.
La Actividad Portuaria. Generalidades
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Figura 2-3 Zona de manipulación de cargas de un muelle comercial
2.1.4 Instalaciones de reparación o mantenimiento de buques
Además de las instalaciones específicas de operación, es necesario disponer de instalaciones en las que se puedan llevar a cabo tareas de reparación y mantenimiento de las embarcaciones que participan en las operaciones comerciales.
Las instalaciones de reparación y mantenimiento más importantes son los diques secos, los diques flotantes y los varaderos.
Los varaderos son instalaciones consistentes en un plano inclinado sobre el que se desplaza la embarcación a manipular para levantarla y facilitar las maniobras de reparación y mantenimiento.
Estos varaderos pueden ser naturales o artificiales. Los artificiales, destinados a buques de gran envergadura, cuentan con una basada (estructura que se arma debajo del buque) que es arrastrada por máquinas que ejercen grandes fuerzas de tracción hasta varar la embarcación.
Los diques secos son estructuras amuralladas que cuentan con una compuerta, la cual al abrirse permite el paso del agua y de la embarcación. Una vez la embarcación se encuentra en el interior, se cierra la compuerta y se desaloja el agua contenida en el interior mediante un sistema de bombeo.
Un dique flotante es una estructura naval que contiene unos tanques de lastrado y unas torres que garantizan su estabilidad. Mediante la inundación de estos tanques se consigue el hundimiento de la estructura, de forma que la embarcación pueda acceder a su interior. Una vez dentro, mediante el vaciado de los tanques de lastrado, la estructura emerge elevando la embarcación.
9 Manipulación de sólidos a granel en terminales portuarias. Dimensionamiento de instalaciones
Figura 2-4 Dique seco
Figura 2-5 Dique flotante
2.3. Modelos de gestión de puertos
El aumento de funciones en la actividad portuaria ha acarreado los procesos de descentralización de tareas y la privatización de éstas, apareciendo distintos modelos en la gestión de los puertos. Existen cuatro modelos de gestión diferentes:
- Service Port - Tool Port - Landlord port - Full Private Port
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modelo de gestión es el Tool Port con un 20 % del total de puertos europeos. El Reino Unido cuenta con el modelo de gestión Full Private Port, completando el 10 % restante. El modelo de gestión Service Port es el menos extendido en Europa, no existiendo en casi ningún puerto en la actualidad.
En E.E.U.U, por ejemplo, no existen puertos que sigan el modelo Full Private Port. Las proporciones de los que siguen los modelos Landlord, Tool y Service son 60 %, 30 % y 10 %, respectivamente.
A continuación, se describen las principales características de los distintos modelos de gestión de puertos existentes.
2.3.1 Service Port
El modelo de gestión “Service Port” tiene un carácter predominantemente público. Son controlados normalmente por el Ministerio de Transporte del país correspondiente.
En este modelo de gestión la Autoridad Portuaria correspondiente ofrece la gama completa de servicios requeridos para el funcionamiento del sistema portuario. El puerto posee, mantiene y opera cada activo disponible en el puerto, y las actividades se ejecutan por mano de obra contratada directamente por la Autoridad Portuaria.
El modelo de gestión Service Port es cada vez menos habitual, debido al riesgo económico que representa para el organismo público propietario.
2.3.2 Tool Port
En un modelo de gestión “Tool Port” la Autoridad Portuaria es titular de las infraestructuras, superestructuras y los equipos mientras que el sector privado provee los servicios, en régimen de concesiones o licencias. El manejo de los equipos, propiedad de la Autoridad Portuaria, se lleva a cabo por personal perteneciente a dicha Autoridad, aunque a veces surgen conflictos y la Autoridad Portuaria permite a la empresa privada la introducción de sus propios equipos (perdiéndose la esencia del Tool Port). La Autoridad Portuaria es responsable del mantenimiento de las infraestructuras y el equipamiento.
El uso del modelo Tool Port como un catalizador para la transición, puede ser una opción atractiva en los casos donde la confianza del sector privado no está completamente establecida y el riesgo de inversión se considera alto. Un “puerto de herramientas” puede mitigar esta desconfianza mediante la reducción de los requisitos iniciales de inversión de capital.
2.3.3 Landlord Port
En este modelo de gestión, la Autoridad Portuaria es propietaria del puerto en su conjunto y actúa como reguladora de las actividades que se llevan a cabo en él, aunque los servicios son prestados por empresas privadas.
El puerto está dividido en terminales independientes donde cada operador de la terminal se ocupa de su mantenimiento, de construir las superestructuras que sean necesarias para su actividad y adquirir e instalar los equipos necesarios para su operación.
Actualmente es el modelo de gestión de puertos predominante.
2.3.4 Full Private Port
En este tipo de modelo de gestión el terreno portuario es de propiedad privada, por lo tanto el Gobierno no tiene ningún tipo de participación significativa. Se considera una forma extrema de la reforma portuaria. Este modelo de gestión es muy poco utilizado y aparece solamente en Reino Unido y Nueva Zelanda.
Uno de los riesgos existentes en este tipo de modelo es que las tierras portuarias pueden venderse o revenderse para actividades no portuarias, lo que hace que sea imposible recuperarlas para su uso marítimo original. Además, también existe la posibilidad de especulación con la tierra, especialmente cuando la tierra portuaria se encuentra en una ciudad importante o cerca de ella.
11 Manipulación de sólidos a granel en terminales portuarias. Dimensionamiento de instalaciones
Otro factor de riesgo de la venta de tierras portuarias a organismos privados es que puede plantear un problema de seguridad nacional.
2.4. Modelos de operación
Una vez presentados los tipos de modelos de gestión de puertos existentes, también se considera necesario detallar los modelos de operación habituales en el transporte marítimo.
Estos modelos de operación detallan, de forma independiente al modelo de gestión del puerto, el espacio concedido por la Autoridad Portuaria para la operación.
Los cuatro modelos de operación más habituales son: - Operación con terminal en concesión. - Operación sin concesión de almacenamiento.
- Operación con concesión de almacenamiento con instalación especial. - Operación con concesión de almacenamiento sin instalación especial.
La elección del modelo de operación está ligada a diversos factores como pueden ser el volumen anual de mercancía movida y su precio unitario, la regularidad del tráfico, la exigencia de calidad del producto,… En las operaciones ‘con terminal en concesión’ la empresa operadora tiene una concesión completa del muelle por parte de la Autoridad Portuaria, además de la zona de almacenamiento y de tránsito. Normalmente, se emplea en tráfico de grandes volúmenes o tráficos regulares de volúmenes medios.
El modelo de operación sin concesión de almacenamiento es el más habitual en operaciones con diversos tipos de mercancías con tráficos pocos regulares, y en los cuales el punto de destino se encuentra cercano y cuenta con instalación de almacenamiento propia. Por lo tanto, la empresa operadora solo cuenta con el permiso de la Autoridad Portuaria para realizar la estiba o desestiba de la mercancía.
Los otros dos tipos de operación cuentan, como se indica en su denominación, con la concesión de la Autoridad Portuaria para el almacenamiento de la mercancía en el puerto. La diferencia entre ambos radica en la existencia o no de una instalación especial de almacenamiento. Normalmente, esta instalación existe cuando la empresa operadora está especializada en un tipo de mercancía con un precio unitario medio/alto.
2.5. Operaciones portuarias
Para realizar con éxito el proceso del comercio marítimo, es necesario llevar a cabo lo que se conoce como “operación portuaria”, la cual engloba desde trámites administrativos previos al atraque, actividades en el momento que el buque arriba al puerto, manipulación de la mercancía,…
Se pueden dividir en los siguientes tipos: - Operaciones administrativas - Operaciones de practicaje - Operaciones de remolque
- Operaciones de amarre y desamarre de buques
- Operaciones de carga, estiba, desestiba y transbordo de mercancías
2.5.1 Operaciones administrativas
Las operaciones administrativas necesarias en los Puertos de Interés General son la solicitud de escala, la asignación de atraque y el despacho de buques.
La Actividad Portuaria. Generalidades
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de abril. Este procedimiento indica que es necesario cumplimentar y entregar a la Autoridad Portuaria del puerto en el que se vaya a hacer escala, una Declaración Única de Escala (DUE).
Los datos básicos que deben recogerse en la DUE:
- Identificación del puerto donde se realizará la escala mediante un código de 5 dígitos según la codificación UN/LOCODE.
- Tipo de trámite - Fecha de entrada - Período de permanencia
- Identificación del consignatario o declarante (razón social, NIF, dirección postal, código postal, población y país)
- Identificación de la compañía naviera (razón social, NIF, código postal, población, país)
- Identificación del buque (número OMI del buque, código de llamada internacional, bandera del buque, nombre del buque, fecha y hora estimada de llegada del buque, fecha y hora estimada de salida del buque, puerto anterior, puerto posterior, código de servicio marítimo, autorización para cabotaje, nombre del capitán, número de tripulantes, número de polizones, descripción de la carga, indicadores de ciertas sustancias, condiciones de tanques de carga, condiciones de tanques de lastre, volumen de la carga, certificado de mantenimiento e inspecciones del buque)
- Datos de atraque o fondeo (indicador de exención de practicaje, puesto de atraque o fondeo requerido, forma de atraque o fondeo, calado máximo del buque, actividad a realizar en el puesto de atraque o fondeo, previsión de inicio y fin de operaciones, tipo de operaciones a realizar, tipo de carga, tipo de unidad en que se mide la carga, peso por unidad, medios de manipulación que se utilizarán o que se solicitan, indicador de solicitud de suministro, espacio portuario que se precisa)
- Datos de la empresa estibadora (razón social y NIF)
2.5.2 Operaciones de practicaje
Se conoce como practicaje al servicio de asesoramiento que se ofrece a los capitanes de buque para facilitar la entrada, la salida y las maniobras dentro de la zona del puerto en condiciones de seguridad y establecidas por la ley.
Dicha operación es llevada a cabo por una persona perteneciente a la Autoridad Portuaria, a la que se conoce como práctico.
La operación se llevará a cabo a bordo de los buques. Normalmente, a una milla de llegar el buque al puerto, se desplaza el práctico en una lancha y embarca en dicho buque, indicando a la tripulación la mejor forma de realizar las maniobras de acceso al puerto.
2.5.3 Operaciones de remolque
Se conoce por remolque a la operación náutica de ayuda a los movimientos de un buque mediante el auxilio de uno o más buques, denominados remolcadores. La ayuda puede efectuarse proporcionando fuerza motriz o, simplemente, realizando el acompañamiento hasta las aguas de servicio del puerto.
El remolcador es una embarcación de gran potencia, capaz de arrastrar buques de gran tonelaje de forma que éstos no necesiten el uso de su propia máquina en las aguas del puerto. Normalmente, la potencia con la que cuentan se encuentra entre 400 y 3000 caballos, aunque dependiendo del tipo de operación habitual pueden encontrarse remolcadores de hasta 20000 caballos.
Se diferencian tres tipos de remolcadores: los de puerto, los de puerto y altura, y los de altura y salvamento. La función de los remolcadores de puerto es guiar eficazmente al buque hasta el punto de atraque determinado y asistir a estos en las maniobras de atraque.
13 Manipulación de sólidos a granel en terminales portuarias. Dimensionamiento de instalaciones
Figura 2-6 Operación de remolque de un buque granelero
2.5.4 Operaciones de amarre y desamarre
La maniobra de amarre de un buque consiste en recoger las amarras y fijarlas a los elementos dispuestos en el muelle para ese fin. La zona de amarre es designada por la Autoridad Portuaria.
De forma contraria, el desamarre consiste en largar las amarras del buque de forma que éste pueda iniciar las maniobras de abandono del puerto.
2.5.5 Operaciones de carga, descarga, estiba, desestiba y transbordo de mercancías
La primera operación a realizar una vez que se ha realizado el amarre del buque es la operación de desestiba. Se entiende por desestiba el removido de la carga y su entrega al equipo de descarga para extraer de la bodega del buque la mercancía.
La segunda operación consiste en la descarga de mercancías en el muelle. El proceso de descarga se considera finalizado cuando la mercancía descansa en el equipo que vaya a realizar el transporte de dicha carga.
De forma contraria, existen la carga y la estiba en los procesos de exportación de productos. Las actividades que comprenden las operaciones de carga y estiba son:
- La recogida de la mercancía del puerto y el transporte horizontal de la misma hasta el costado del buque.
- El izado de la mercancía y su colocación en la bodega del buque. Las actividades que comprenden las operaciones de descarga y desestiba son:
- La desestiba de la mercancía en la bodega del buque, comprendiendo todas las operaciones de partición de la carga y su colocación al alcance de los medios de izado o transferencia.
- La descarga de la mercancía, bien sobre vehículos de transporte o bien sobre el muelle para la recogida por vehículos o medios de transporte horizontal.
2.6. El Sistema Portuario español
Como se detalla en la página web del Ministerio de Fomento dedicada a los Puertos del Estado, España es el país de la Unión Europea con mayor longitud de costa (8.000 km). Además, su situación geográfica, próxima al eje de una de las rutas marítimas más importantes del mundo, le beneficia de un mayor afianzamiento como área estratégica en el transporte marítimo internacional y como plataforma logística del sur de Europa.
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El sistema portuario español de titularidad estatal está formado por 46 Puertos de Interés General, gestionados por 28 Autoridades Portuarias.
Figura 2-7 Autoridades Portuarias españolas
Las Autoridades Portuarias a cargo de los Puertos de Interés General son organismos públicos empresariales con plena capacidad de tomar decisiones para desarrollar sus funciones y alcanzar sus fines. La gestión de los Puertos de Interés General es llevada a cabo por el Organismo Público de Puertos del Estado, el cual es dependiente del Ministerio de Fomento.
El principal objetivo de las Autoridades Portuarias es dar soporte al desarrollo de la economía española facilitando el paso de las mercancías por los puertos.
Las Autoridades Portuarias se financian mediante el cobro de tasas a los usuarios de sus instalaciones. Deben ser capaces de hacer frente a sus gastos e inversiones a partir de estos ingresos, con una rentabilidad mínima exigida por ley.
Según datos ofrecidos por el organismo de Puertos del Estado, por ellos pasan cerca del 60% de las exportaciones y el 85% de las importaciones, lo que representa el 53% del comercio exterior español con la Unión Europea y el 96% con otros países.
Esta actividad aporta cerca del 20% del PIB del sector del transporte, lo que representa el 1,1% del PIB español. Asimismo, genera un empleo directo de más de 35.000 puestos de trabajo y de unos 110.000 de forma indirecta.
Los puertos integrados bajo el sistema de Puertos de Interés General siguen el modelo de gestión conocido como “Landlord Port”.
En el modelo “Landlord Port”, como se ha comentado anteriormente, las Autoridades Portuarias ceden sus espacios e infraestructuras y regulan las operaciones a desarrollar en ellas, pero no las llevan a cabo. Estas operaciones son realizadas por empresas privadas, con recursos humanos y técnicos que no pertenecen a la Autoridad Portuaria.
La gestión llevada a cabo por las Autoridades Portuarias en España consiste en (según la declaración del Organismo Público de Puertos del Estado):
- Proporcionar espacio portuario: planificar y construir las infraestructuras necesarias para el desarrollo de la actividad (canales de acceso, zonas de atraque, suelo portuario e infraestructuras de conexión con transporte terrestre).
- Coordinar la actividad: coordinación del tráfico marino, terrestre y su interconexión.
- Ordenar los usos del espacio portuario: ordenación de la zona de servicio del puerto en coordinación con las Administraciones competentes en materia de ordenación del territorio y urbanismo.
15 Manipulación de sólidos a granel en terminales portuarias. Dimensionamiento de instalaciones
- Gestionar y controlar la actividad: control de los servicios prestados por las distintas empresas que operan el puerto.
- Promover la actividad económica: mediante el fomento de actividades logísticas, comerciales e industriales que aprovechan la capacidad de los puertos como integradores de redes de transporte y logística.
- Optimizar la gestión económica: optimizar la rentabilidad de su patrimonio y recursos, en un marco de eficacia, eficiencia y sostenibilidad ambiental.
La Actividad Portuaria. Generalidades
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3 S
ÓLIDOS A GRANEL
.
M
ANIPULACIÓN Y
CARACTERÍSTICAS
n material a granel es aquel que se presenta sin empaquetar o envasar. Se dividen, principalmente, en materiales sólidos a granel y materiales líquidos a granel. Como cualquier material, presentan una serie de propiedades que influyen directamente en su manipulación. En este apartado, se presentarán las propiedades de los primeros, los sólidos a granel.
En primer lugar se expondrá una breve introducción sobre la evolución histórica de los avances en la manipulación de sólidos a granel. Posteriormente, se presentan las distintas clasificaciones que pueden hacerse en función de sus propiedades y por último se presentarán qué características son las que presentan una mayor influencia en las distintas actividades de manipulación de este tipo de materiales (transporte y almacenamiento) y los ensayos establecidos para determinarlas.
3.1 Avances en la manipulación de sólidos a granel
La manipulación de sólidos a granel es, al menos, tan antigua como los primeros asentamientos surgidos tras la revolución neolítica, cuando la humanidad comenzó a cultivar la tierra y a almacenar los productos obtenidos. El primer documento gráfico que se tiene de una instalación de almacenamiento de sólidos a granel es de aproximadamente el año 400 a.C y pertenece a la civilización egipcia. Se han encontrado referencias a silos de almacenamiento de granos cavados en el valle del Nilo. Estos silos eran lo suficientemente profundos para que fuera necesario el uso de cubos y elevadores para extraer el grano almacenado.
Figura 3-1 Manipulación de graneles agroalimentarios en el Valle del Nilo
La consideración de la manipulación de sólidos a granel como disciplina científica es mucho más actual. Comienza en el s.XIX con el descubrimiento de las propiedades de fricción y dilatación de la arena por parte de Coulomb, Rankine y Reynolds, mientras estudiaban diversos problemas pertenecientes a la ingeniería civil como la construcción de carreteras y presas.
Uno de los primeros escritos técnicos publicados sobre este tema fue el del ingeniero alemán H.A. Janssen, quien estudió la presión desarrollada en los silos de grano a finales del s.XIX. Las fórmulas desarrolladas por
Sólidos a granel. Manipulación y características
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Janssen siguen permaneciendo como la base de numerosas normativas de resistencia de silos.
En cuanto al transporte de materiales sólidos a granel, también a finales del s. XIX, comienzan a utilizarse métodos neumáticos para el transporte de granos a los silos.
Durante los siguientes treinta años, varios aspectos del almacenamiento fueron estudiados por grupos científicos en Inglaterra y Estados Unidos. Algunos de estos aspectos fueron la aplicación de métodos numéricos, las cargas excéntricas y los silos no simétricos.
La segunda gran oleada de avances en este campo se produce en el s.XX, en las décadas de los 50 y 60. Destacan Roscoe, que desarrolló el concepto de estado crítico; Jenike, que desarrolló un método de diseño de silos basado en la comprobación a esfuerzos cortantes (aunque no se estandarizó hasta 30 años después); y Roberts que comenzó a desarrollar científicamente el proceso de transporte de éstos mediante distintos métodos.
También en la década de los 50, el transporte neumático sufre una revolución con el desarrollo de las ecuaciones de presión en fase diluida, las cuales permitieron la aparición de los transportadores en “fase densa”.
La primera aparición de estos transportadores neumáticos en fase densa data de 1974. Aproximadamente 10 años más tarde, Konrad presentó su modelo el cual todavía se compara con los mejores.
En la década de los 80 aparecen nuevos métodos numéricos y el Método de los Elementos Finitos se convierte en decisivo para el cálculo de silos.
El método de diseño de silos de Jenike fue estandarizado por la EFCE (European Federation of Chemical Engineering), que sirvió de base a otras como la ASTM.
Desde 2004 se encuentran recogidos en el Eurocódigo todos los conocimientos de diseño y cálculo de resistencia de silos.
3.2 Propiedades de los sólidos a granel
La base de los procesos de manipulación de materiales sólidos a granel radica en la determinación de las propiedades de éstos bajo condiciones de operación, y su incidencia en las distintas actividades. Para determinar las propiedades de este tipo de materiales existen procedimientos de laboratorio bien definidos y deben ser solicitadas a los suministradores del material antes de plantear el diseño de una instalación de manipulación.
A continuación se presenta la clasificación de estos materiales en función de sus propiedades, recogidas por Agustín López Roa, en su libro Materiales sólidos a granel (Clasificación y Propiedades de los mismos desde el punto de vista de su Transporte Continuo y Almacenamiento).
Las propiedades físicas de cualquier material son: - Estado físico - Forma - Tamaño - Estado térmico - Densidad - Fluidez - Cohesión
- Otras propiedades (abrasividad, pulverulencia,…)
El estado físico se refiere a la forma en la que se encuentran en la naturaleza y a las transformaciones a las que se someten para su utilización. Se clasifican en:
19 Manipulación de sólidos a granel en terminales portuarias. Dimensionamiento de instalaciones
- Clasificado: material todo en uno sometido a un proceso de cribado - Fragmentado: material todo en uno sometido a un proceso de triturado
La forma se refiere al aspecto que presenta el material. La FEM (European Materials handling Federation) realiza la siguiente clasificación de los materiales según su forma:
- Aristas vivas con las tres dimensiones aproximadamente iguales (cubo)
- Aristas vivas con una de las tres dimensiones superior a las otras dos (prisma, aguja) - Aristas vivas con una de las tres dimensiones inferior a las otras dos (placa, lámina) - Aristas redondeadas con las tres dimensiones aproximadamente iguales (esfera)
- Aristas redondeadas con una de las tres dimensiones netamente superior a las otras dos (cilindro) - Fibrosa, con nudos, con bucles,…
El tamaño está normalizado por distintos organismos (FEM, CEMA, UNE, ISO, DIN,…), pero estas no son concordantes. No existe una normalización a nivel internacional, a pesar de que todas obtienen los tamaños del material mediante procesos de cribado con la abertura de las cribas normalizadas por la norma DIN 4187-1977. Se pueden distinguir los siguientes 7 tamaños:
- Todo uno - Muy grande - Grande - Medio - Granulado - Fino - Muy fino
El estado térmico se refiere a la temperatura y al grado de humedad del material. En función de la temperatura se clasifican en:
- Frío: menos de 10˚C
- Ambiente: entre 10˚C y 40˚C - Caliente: entre 40˚C y 100˚C - Muy caliente: más de 100˚C
Según el grado de humedad se pueden clasificar en: - Seco
- Normal - Húmedo - Mojado
La densidad de un material se define como la relación entre su masa y el volumen que ocupa.
La fluidez de un material viene definida, básicamente, por el ángulo de talud natural que es producido al verter el material sobre una superficie horizontal. Los grados de fluidez establecidos por la FEM, son los siguientes:
- Fluido como el agua
- Muy fluido (ángulo de talud entre 0˚ y 30˚) - Normal
- Poco fluido - Compacto
Sólidos a granel. Manipulación y características
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- Fibroso/entrelazado
La cohesión puede determinarse que es la propiedad inversa de la fluidez. A mayor cohesión, menor fluidez del material.
Además de las propiedades mencionadas, es conveniente destacar otras propiedades como la abrasividad, la compactabilidad, la pulverulencia, la explosividad, la corrosividad y la degradabilidad.
La abrasividad es la combinación de la dureza, la forma, la densidad y el tamaño de un material, que al actuar de forma conjunta, desgastan la superficie del material sobre el que inciden. Se definen los siguientes grados de abrasividad:
- Abrasividad baja - Abrasividad normal - Abrasividad alta
La compactabilidad es la propiedad adquirida por un material al ser sometido a una presión en la totalidad de la masa. Esta propiedad influye directamente sobre la fluidez del material.
La pulverulencia de un material es la propiedad consistente en producir polvo. Esto se produce cuando un material desprende partículas tan pequeñas que son capaces de ser mantenidas en flotación por el aire.
La explosividad de un material es la propiedad determinada por la rapidez del cambio químico de las partículas, que genera una onda de choque destructiva.
La corrosividad de un material es la propiedad por la cual, cuando se pone en contacto con la superficie de otro, lo ataca químicamente.
La degradabilidad es la propiedad de los materiales de partirse en trozos más pequeños como consecuencia de su impacto o agitación.
Además de estas propiedades, a la hora de manipular este tipo de productos es necesario conocer los valores de los siguientes parámetros:
- Ángulo de reposo estático (o de talud) - Ángulo de fricción interna
- Ángulo de reposo dinámico
- Ángulo de deslizamiento sobre superficies - Coeficiente de fricción sobre las paredes - Ángulo de ascenso en cintas transportadoras
Los ángulos de reposo estático, fricción interna y deslizamiento sobre una superficie, además del rozamiento sobre las paredes, tienen incidencia sobre el proceso de almacenamiento mientras que los ángulos de reposo dinámico y de ascenso en cintas transportadoras, afectan al proceso de transporte de los materiales.
3.3 Propiedades de los sólidos a granel con incidencia en su transporte
En este apartado se detallan qué propiedades de las descritas en el apartado anterior cuentan con más incidencia sobre el proceso de transporte de los materiales sólidos a granel y en qué medida.
- Forma y tamaño del material
Obviamente, la forma y el tamaño del material determinan el tipo de transporte y las características de este. Tanto el tipo de transporte, como el tamaño y la capacidad de éste se verán afectados por dichas características.
- Estado térmico y humedad
La temperatura del material también afecta directamente sobre el equipo de transporte. En función de la temperatura a la que se prevea transportar el material será necesario utilizar un sistema de transporte
21 Manipulación de sólidos a granel en terminales portuarias. Dimensionamiento de instalaciones
de un material compatible con esa temperatura.
Respecto al grado de humedad, es importante preverlo en el transporte ya que habría que tomar medidas de precaución en el sistema de transporte, como limpieza y recogida de agua.
- Fluidez
Como se ha comentado anteriormente, influye en el transporte el ángulo de reposo dinámico y el de inclinación en cinta transportadora. Los materiales pueden llegar a definir el recorrido del producto. - Abrasividad
El grado de abrasividad de un material afecta a las bandas de las cintas transportadoras y los tolvines de transferencia. Esta propiedad de los materiales obliga a utilizar bandas con recubrimiento antidesgaste en las cintas y chapas antidesgaste de aceros especiales en tolvines.
- Degradabilidad
Para evitar la degradabilidad de los materiales durante el transporte puede ser necesaria la reducción de velocidad y el diseño especial de transferencias entre equipos.
3.4 Propiedades de los sólidos a granel con incidencia en el almacenamiento
Al igual que ocurre con el transporte, al almacenamiento también le afectan ciertas características del material a almacenar.
Dichas características son las siguientes: - Forma y tamaño del material
Estas propiedades influyen principalmente en el tamaño de los silos de almacenamiento y las bocas de salida de los mismos. La influencia en los Parques de Almacenamiento es menor que en los silos. - Temperatura y humedad
De forma general, no se almacenan materiales a temperatura elevada, y si esto sucediera, la temperatura disminuiría con rapidez.
Sin embargo, la humedad si influye bastante en el diseño de las bocas de salida de los silos, por el riesgo de formación de tapones que impidan la salida del mismo.
- Fluidez
La fluidez es la propiedad con mayor afección en el diseño de los silos de almacenamiento. Se tiene en cuenta en el diseño de estos, a partir de los valores de los ángulos de rozamiento interno y de los de coeficiente de fricción sobre las paredes. El conocimiento de estos valores en todos los materiales es prácticamente imposible, con lo que en muchos de los casos es estimado a partir de los conocidos para otros materiales similares.
- Ángulo de reposo
El ángulo de reposo de los materiales a granel tiene gran influencia en el diseño del almacenamiento, limitando la altura máxima a la que es posible limitar un producto y definiendo la configuración de dicho almacenamiento.
Estas consideraciones son relativas a materiales de tamaños superiores a 50 mm. Los materiales más pequeños (los clasificados como tamaño medio a muy fino), poseen un comportamiento diferente, ya que sus propiedades vienen influenciadas por la compacidad y la higroscopicidad, las cuales influyen en la fluidez.
