← Zurück zu Feststoffe & Schüttgutbehandlung

Wie Trichter funktionieren und wie Probleme mit dem Trichter-Schwerkraftfluss vermieden werden

Laden Sie die Audioversion dieses Editorials herunter

Als beratender Ingenieur in der Schüttgutförderungs- und -verarbeitungsindustrie treten regelmäßig Probleme im Zusammenhang mit unzuverlässigen Strömungen aus Lagerbehältern (Trichter, Silos, Bunker) auf. In diesem Artikel wird erläutert, wie Trichter funktionieren, wie ein neuer Behälter zuverlässig befüllt werden kann und welche Nachrüsttechniken zur Verbesserung der Entladung vorhandener Schiffe eingesetzt werden können.

Von Dr. Robert Berry, Senior Consultant Engineer für das Wolfson Center for Bulk Solids Handling Technology

Dr. Robert Berry, Senior Consultant Engineer für das Wolfson Center für Schüttguthandhabungstechnologie

Dr. Robert Berry, Senior Consultant Engineer für das Wolfson Center für Schüttgut-Handling-Technologie

Strömungsmuster in Trichtern

Wenn ein Silo Material abgibt, können zwei unterschiedliche Strömungsmuster auftreten. Kernfluss (Trichterfluss) und Massenfluss wie in Abb. 1a, b & c dargestellt.

Das Kernströmungsmuster ist das Standardmuster, in dem die meisten Behälter arbeiten (es sei denn, der Massenstrom wurde speziell dafür entwickelt), bei dem durch das Material ein bevorzugter Strömungskanal über dem Auslass fließt und das Material um die Wände herum statisch bleibt.

Wenn das Produkt rieselfähig ist und das Silo einen hohen parallelen Querschnitt hat, kann sich der Strömungskanal zu den Wänden im oberen Silo ausdehnen, wie in Abb. 1a gezeigt.

Wenn das Material einen bestimmten Kohäsionsgrad aufweist, ist der Ausdehnungswinkel des Strömungskanals sehr steil, sodass sich der Strömungskanal bis zur Oberseite des Vorrats im Silo erstreckt.

Dieses Kernströmungsmuster gibt eine First-In-Last-Out-Form der Lagerumdrehung an, zu der es führen kann;

  • Spülen von belüftbaren Materialien, dh frisch beladenes belüftetes Material gelangt direkt in den Strömungskanal,
  • Zusammenbacken (unerwünschte Agglomeration) von zeitempfindlichen Materialien, dh statische Bereiche um Wände können mit der Zeit aushärten und einen dauerhaften Aufenthalt im Silo einnehmen,
  • Entmischung von Materialien mit einer breiten Größenverteilung, dh, wenn sie zentral geladen sind, bildet sich im Silo eine schräge Ruhe, grobe Partikel rollen zum Boden des Stapels (der Wand) und die Feinteile sind weniger beweglich und sammeln sich in der Mitte des Silos. Beim Austrag in den Kernstrom treten zunächst Feinstoffe aus, gefolgt von einem zunehmenden Anteil an groben Partikeln.

Das alternative und wünschenswerte Fließmuster für schwer zu handhabende Materialien ist der Massenfluss (in Abb. 1c gezeigt), bei dem der Trichter viel steilere Wände aufweist, so dass Materialschlupf an den Wänden auftritt und das gesamte Material in Bewegung ist, wenn ein Austrag auftritt.

Dies ergibt ein First-in-First-Out-Entladungsmuster und das gesamte Material hat eine gleichbleibende Verweilzeit, wodurch das Risiko von Agglomeration und Überflutung minimiert wird. Während sich das Material während des Ladens innerhalb des Silos abscheidet, bewirkt der gleichmäßige Abzug, dass sie sich beim Entladen erneut mischen. Der Massenstrom ergibt auch eine Schwerkraft-Entladungsrate, die über die Zeit konstanter und unabhängig vom Lagerbestand ist.

Die Hauptnachteile des Massenstroms sind die mögliche Abnutzung der Wände, wenn das gelagerte Produkt sehr abrasiv ist (entweder Kernströmung oder ein Verschleißausgleich muss vorgenommen werden), die höheren Drücke an der Wand während des Austrags (da der gesamte Inhalt unter Spannung steht). insbesondere beim Übergang von den parallelen zu den konvergierenden Abschnitten des Silos und einem größeren Kopfraumbedarf zum Speichern eines bestimmten Materialvolumens aufgrund des steileren Trichters.

Siloflussmuster a) Kernfluss (frei fließendes Material)
Siloflussmuster b) Kernfluss (kohäsives Material)
Siloflussmuster c) Massenfluss

Abb. 1 Siloflussmuster a) Kernfluss (frei fließendes Material) b) Kernfluss (kohäsives Material) und c) Massenfluss

Wandreibungsmessung

Die Bestimmung, ob ein Material massen- oder kernfließen wird, erfordert eine Messung der Reibung zwischen der Trichterwand und dem gelagerten Pulver. Dies kann durch Scheren einer Zelle aus verfestigtem Pulver über eine Wandprobe erfolgen, wobei die Scherkraft gemessen und gleichzeitig die Normalkraft gesteuert wird.

Die Scherkraft ist als Funktion der Normalkraft aufgetragen, der Wandausbreitungsort, dessen Winkel den Wandreibungswinkel darstellt, dh den Winkel, unter dem die Wand geneigt sein muss, um ein Abrutschen des Pulvers an der Wand zu verursachen.

Die Beziehung zwischen dem Massenstrom-Trichterhalbwinkel und dem Wandreibungswinkel ist in Fig. 2a & b dargestellt und zeigt, dass der Grenztrichterwinkel für den Massenstrom flacher wird, wenn sich der Wandreibungswinkel verringert. Dh je höher die Reibung zwischen Pulver und Trichterwand ist, desto steiler ist der für den Massenstrom erforderliche Trichter.

Zwei Extreme der Trichterform sind ein konischer Trichter und ein ebener oder keilförmiger Trichter. Letzteres ergibt einen Massenfluss bei größeren Halbwinkeln, da das Material für einen Kegel nur in einer Richtung statt in zwei Richtungen konvergiert.

Massenflussgrenzen für konische und ebene (keilförmige) Trichter
Massenflussgrenzen für konische und ebene (keilförmige) Trichter

Abb. 2 Massenflussgrenzen für konische und ebene (keilförmige) Trichter

Durchflussbehinderung

Wenn ein Silo unter der Schwerkraft nicht entladen werden kann, gibt es drei Haupttypen von Strömungshindernissen, nämlich mechanische Wölbung, zusammenhängende Wölbung und Rattenlöcher (siehe Abb. 3a, b und c).

Mechanische Wölbung ist der relativ triviale Fall, bei dem die Partikel im Verhältnis zur Größe des Auslasses zu groß sind und sich mehrere Partikel mechanisch über dem Auslass festsetzen können.

Um dies zu vermeiden, muss der Durchmesser eines kreisrunden Auslasses (oder die Diagonale eines Schlitzauslasses) ca. 10-mal größer als die maximale Partikelgröße.

Abb. 3 Silo-Strömungshindernisse b) zusammenhängende Wölbung

Abb. 3 Silo-Strömungshindernisse a) mechanische Wölbung

Abb. 3 Silo-Strömungshindernisse b) zusammenhängende Wölbung

Abb. 3 Silo-Strömungshindernisse b) zusammenhängende Wölbung

Abb. 3 Silo-Strömungshindernisse c) Kohäsives Rattenloch

Abb. 3 Silo-Strömungshindernisse c) Kohäsives Rattenloch

Kohäsive Wölbungen und Rattenlöcher sind Bereiche, in denen das Material bei der Verfestigung aufgrund von Kohäsion an Festigkeit gewinnt, und zwar entweder in Abhängigkeit von einer Feinpartikelgröße, die typischerweise unter 100microns liegt (wobei Van-der-Waals-Kräfte die Schwerkraft überwiegen), oder von Oberflächenflüssigkeit, in denen die Oberfläche vorhanden ist Spannung bindet die Partikel zusammen.

Wenn die Größe des Auslasses bei zusammenhängendem Material zu klein ist, bildet sich ein Hindernis, und der Schwerkraftfluss tritt nur auf, wenn der Durchmesser / die Breite des Auslasses so groß ist, dass das Gewicht des Schüttguts im Bogen die uneingeschränkte Festigkeit des Materials überschreitet. Kohäsive Wölbung ist die strömungsbegrenzende Bedingung in einem Massenstromsilo, Rattenlochung ist die strömungsbegrenzende Bedingung in einem Kernstromsilo.

Das Rattenloch tritt auf, weil für den Durchmesser des Kerns die Umfangsspannung nicht ausreicht, um die Festigkeit des Materials zu überwinden, so dass wie zuvor der Auslassdurchmesser vergrößert werden muss, wodurch die Umfangsspannung erhöht wird, bis ein Versagen auftritt.

Bei einem Massenstromsilo ist das kritische Auslassmaß weitgehend unabhängig von der Größe des Silos. Bei einem Kernstromsilo kann sich das kritische Rattenlochmaß jedoch erheblich vergrößern, wenn das Gefäß größer wird (von Durchmesser und Höhe) Die Verfestigungsspannung im Rohr nimmt zu.

Durchflussfunktion

Um die Größe des Auslasses eines Silos zur Überwindung von kohäsiven Wölbungen oder Rattenlöchern zu bestimmen, wird die Kohäsionsfestigkeit des Materials gemessen und als Fließfunktion (Abb. 4a) dargestellt, die als Blaupause für die Fließfähigkeit des jeweiligen Materials gilt. Die Messung der Durchflussfunktion lässt sich am besten anhand des Konzepts eines Sandburg-Tests veranschaulichen (siehe Abb. 4b).

In der ersten Stufe des „Sandburg“ -Tests wird das Schüttgut in einer Form (Schaufel) auf eine vorgegebene Normalspannung einachsig verdichtet. In der zweiten Testphase wird die Form (der Eimer) entfernt, um das Schüttgut „Sandburg“ freizulegen.

Eine zunehmende vertikale Spannung wird dann auf das nicht eingegrenzte Schüttgut (Sandburg) ausgeübt und die Spitzenfestigkeit bei Versagen aufgezeichnet. Die horizontale Achse der Fließfunktion repräsentiert die Festigkeitsspannung, "die Spannung, die angewendet wird, um die Sandburg im Eimer zu verdichten", gegenüber der nicht eingegrenzten Bruchfestigkeit "der Festigkeit der freistehenden Sandburg" auf der vertikalen Achse. Obwohl das Messmittel in der Praxis eher die Scherversuche als die einachsige Einwirkung ist, ist die Bedeutung dieselbe.

Flussfunktionsgraph

Abb. 4 a) Die Durchflussfunktion

Der Sandburgtest

Abb. 4 b) Der Sandburgtest

Zeitkonsolidierung

Für beide Arten von Silos kann die Zeitkonsolidierung ein wesentlicher Faktor sein. Hier nimmt die Materialfestigkeit in Abhängigkeit von der Zeitspanne der statischen Lagerung zu, in der sich die Partikel näher kommen und die Festigkeit erhöhen.

Wenn das Material über ein Wochenende im Trichter statisch belassen wird, ist eine große Auslassgröße erforderlich, damit das Material am Montagmorgen fließen kann. Dies kann durch Charakterisierung der Festigkeit über den erforderlichen Zeitraum ausgelegt werden.

Alternativ könnten, wenn dieser Zeitraum selten verwendet wird, Entladehilfsmittel vom Auslass bis zum Durchmesser des Zeitauslasses verwendet werden, um nur dann verwendet zu werden, wenn die Strömung nach einer langen statischen Lagerungsdauer wieder aktiviert wird.

Feeder-Schnittstelle

Wenn die Geometrie des Silos für einen zuverlässigen Schwerkraftfluss korrekt ist, ist es möglich, ein Massenflusssilo durch eine ungeeignete Feeder-Schnittstelle wieder in ein Kernflusssilo umzuwandeln. Es gibt zahlreiche Feedertypen, mit denen die Abgaberate von Produkten aus Silos gesteuert werden kann. Schrauben, Riemen, Ketten, Vibrationsrutschen, Pflüge, Drehschieber und für jeden gibt es eine richtige und eine falsche Art der Verbindung.

Im Folgenden werden eine Schraube und ein Riemen verwendet, um das Prinzip der guten Schnittstellenpraxis zu beschreiben. Eine falsche Standardschnittstelle für eine Schraube ist eine konstante Teilung und ein konstanter Durchmesser, die ein festes Transportvolumen ergeben.

Somit bewegt die Schraube das Material von der ersten Steigung nach vorne, so dass das einzige Platzmaterial in dem Silo, das in die Schraube gelangen kann, von der Rückseite des Schlitzes kommt. Daher wird ein Massenstromsilo aufgrund der schlecht konstruierten Geometrie der Feeder-Grenzfläche im Kernstrom ausgetragen.

Zur Unterstützung des Massenstroms ist eine Schnecke mit festem Außendurchmesser, jedoch zunehmender Steigung und abnehmendem Wellendurchmesser in Vorschubrichtung erforderlich. Somit nimmt das von der Schnecke bewegte Volumen in Vorschubrichtung zu und Material fließt im Massenstrom über die gesamte Länge des Schlitzes.

Ähnliche Prinzipien gelten für einen Gürtel, eine horizontale Schnittstelle wird nur von der Schriftart des Schlitzes gezeichnet, siehe Abb. 5a. Erforderlich ist ein Auslauf, der um ca. 5 °, so dass sich die Schlitzbreite verjüngt, um eine zunehmende Breite in Vorschubrichtung zu ergeben, wodurch ein sich in Fließrichtung zunehmend verbreiternder und erhöhender Stapel auf dem Riemen entsteht, um den Massenfluss zu unterstützen, siehe Abb. 5b.

Abb. 5 a.) Falsche Riemenverbindung

Abb. 5 a) Falsche Riemenverbindung

Abb. 5 b) Korrigieren Sie die Riemenverbindung

Abb. 5 b) Korrigieren Sie die Riemenschnittstelle

Nachrüsttechniken Siloeinsätze

Ein gängiger Ansatz zur Behebung von Entladungsproblemen bei einem Core-Flow-Silo sind statische Einsätze. Überraschenderweise kann ein inneres Hindernis innerhalb des Silos (normalerweise ein umgekehrter Kegel), wenn es die richtige Größe und die richtige Position aufweist, die Austrageigenschaften eines Kernflusssilos dramatisch auf etwas verbessern, das sich dem Massenfluss nähert.

Bei dieser Technik wird die Form des Strömungskanals von einem Kegel zu einem in einen Ring gewickelten Keil geändert. Wie zuvor gezeigt, erreicht der Keil einen Massenfluss bei wesentlich geringeren Winkeln und ist weniger empfindlich gegenüber Änderungen im Lagerbestand.

fig 6a

Abb. 6 a.) Kernfluss

fig 6b

Abb. 6 b) Durchflusskorrektureinsatz

Zusammenfassung

Um ein Silo angemessen für einen zuverlässigen Durchfluss auszulegen, müssen Sie Ihr Material kennen. Wenn das Material rieselfähig ist und immer so bleibt und die Entmischung kein Problem darstellt, kann der Kernfluss für Ihren Prozess akzeptabel sein.

Wenn Ihr Material jedoch kohäsiv, zeitabhängig (anfällig für Zusammenbacken), leicht fließfähig oder stark trennbar ist, ist wahrscheinlich ein Massenflussmuster erforderlich. Um einen Massenfluss zu erzielen, müssen Sie die Fließeigenschaften Ihres Materials messen. Wandreibung, Durchflussfunktion, innere Reibung, Schüttdichte und zeitliche Durchflussfunktion, sodass die kritische Auslassgröße und der Konvergenzwinkel angegeben werden können, um einen zuverlässigen Durchfluss zu gewährleisten.

Denken Sie zum Schluss daran, dass die Geometrie der Feeder-Schnittstelle richtig ausgelegt sein muss, um den Massenfluss zu unterstützen.

Prozessindustrie Informer

Weitere Nachrichten

Hinterlasse einen Kommentar

Diese Seite verwendet Akismet, um Spam zu reduzieren. Erfahren Sie, wie Ihre Kommentardaten verarbeitet werden.

Via