Handhabung von Schüttgütern: Warum ist das so wichtig?


Handhabung von Schüttgütern: Warum ist das so wichtig? *Die Prozesstechnik hat sich in den letzten Jahrzehnten enorm weiterentwickelt. Doch Fließprobleme bestehen weiterhin. Dieser Artikel erörtert einige der häufigsten Ursachen. Von R.J. Farnish* Die Förderung und Lagerung von Schüttgütern innerhalb von Prozessen ist seit der industriellen Revolution im 18. Jahrhundert eine grundlegende Aufgabe für viele Anlagen. Die Prozesstechnologien haben sich in der Zwischenzeit bis heute in ihrer Komplexität und Effizienz enorm weiterentwickelt. Wäre es möglich, einen Ingenieur aus den Anfängen der Industrialisierung in die heutige Zeit zu versetzen, würde er angesichts der enormen Vielfalt an Prozessanlagen, die auf spezifische Anforderungen und Endprodukte zugeschnitten sind, seinen Augen kaum trauen. Was er jedoch mit Sicherheit wiedererkennen würde, sind schlecht funktionierende Silos, Bunker und Trichter, die nicht selten unsanft von den Anlagenbedienern bearbeitet werden. Dieser Artikel behandelt einige der häufigsten Ursachen für Verarbeitungs- und Fließprobleme, die über die Jahrzehnte hinweg bestehen geblieben sind. Grundlagen Die Austragsprobleme bei der Handhabung von Schüttgütern mit weniger günstigen Fließeigenschaften können von unregelmäßigem Austrag bis hin zu vollständigen Fließunterbrechungen reichen (die entweder intermittierend auftreten oder stabil anhalten, bis eingegriffen wird). Fließstockungen Austragsunterbrechungen treten häufig in Trichtern und Silos auf und können folgende Formen annehmen: Mechanische Brückenbildung – physikalisches Verkeilen relativ grober Partikel (kein sehr häufiges Problem, typisch für Gesteinskörnungen oder Materialien mit extremen Formen wie Siedlungsabfälle), Kohäsive Brückenbildung – Kohäsion zwischen Feinpartikeln, „Rattenlochbildung“ (Rat-Holing) – Entleerung des zentralen Fließkanals in einem Kernflussbehälter, wobei der Großteil des Inhalts ausreichend interne Festigkeit besitzt, um sich selbst zu tragen – was zur Bildung eines leeren Fließkanals führt, der von der Oberseite bis zum Auslauf reicht. Diese Fließprobleme treten häufig bei Trichtern und Silos auf, die ohne Berücksichtigung gemessener Fließeigenschaften ausgelegt wurden, oder bei Anlagenteilen, die aus älteren Anlagen übernommen und weiterverwendet wurden. In beiden Fällen wurde die Notwendigkeit, die Geräte an die Fließeigenschaften des zu handhabenden Pulvers anzupassen, nicht berücksichtigt. Der Einbau von Vibratoren oder Luftinjektoren ist dann der übliche Ansatz, um den Fluss zu starten oder aufrechtzuerhalten. Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass sich ohne Durchflussmessungen und deren Einbeziehung in die Konstruktion eines Bunkers oder Silos gewöhnlich Kernfluss ausbildet (Abb. 1). In diesem Fall arbeitet der Bunker/das Silo nach dem Prinzip „First-in, Last-out“. Dieses Fließverhalten zeichnet sich durch unregelmäßige Austragsraten aus, die zudem empfindlich auf die Füllhöhe des Materials im Behälter reagieren. Die zwei Hauptarten des Austragsverhaltens, die sich in Silos und Trichtern entwickeln können, sind in den folgenden Abbildungen 1 und 2 dargestellt. Diese veranschaulichen die Fließprofile am Beispiel konischer Silos; die Prinzipien gelten jedoch gleichermaßen für rechteckige oder pyramidenförmige Behälterformen. Kernfluss Abb. 1 zeigt ein Austragsverhalten, das allgemein als Kernfluss (oder manchmal auch als Trichterfluss) bezeichnet wird, bei dem das Schüttgut bevorzugt über einen vertikalen Kanal oberhalb des Auslaufs austritt. Die Schüttgutpartikel rutschen von der freien Oberseite in den Fließkanal nach, während das Produkt an den Wänden statisch bleibt, bis der Füllstand so weit sinkt, dass auch die Randablagerungen in den aktiven Fließkanal abrutschen können. Wenn dieses Austragsverhalten vorliegt, kann sich dies auf verschiedene Weise auf den Prozess auswirken: Der Behälter arbeitet nach dem „First-in, Last-out“-Prinzip, was bei längerer hoher Füllmenge zum unvorhersehbaren Auftreten von gealtertem Material oder veränderten Mischungsverhältnissen in der Prozesslinie führen kann. Es kann eine erhöhte Schwankung der Schüttdichte während des gesamten Austragszyklus auftreten, da die Packungsdichte der Partikel aufgrund schwankender Verweilzeiten vor dem Austrag variiert (da der Behälter bevorzugt frisch zugeführtes Material zieht). Unterliegt die Schüttgutmischung einer Entmischung durch Oberflächeneffekte (d. h. sie neigt dazu, sich so zu trennen, dass im zentralen Bereich eine Anreicherung von Feinanteilen auftritt, während am Rand ein Mangel an Feingut herrscht), ist der erste Austrag feingutreich (verbunden mit hoher Schüttdichte oder Mischungsungleichgewicht), während die letzten Phasen des Austrags einen höheren Grobgutanteil aufweisen (niedrige Schüttdichte oder Mischungsungleichgewicht). Standardmäßig ist dieses Austragsverhalten in den meisten Trichtern am häufigsten anzutreffen. Massenfluss Abb. 2 veranschaulicht ein Austragsverhalten, das als Massenfluss bezeichnet wird. Im Gegensatz dazu wird diese Art des Austrags dadurch erreicht, dass der Behälter bzw. die Ausrüstung genau auf die gemessenen Fließeigenschaften des ungünstigsten zu handhabenden Schüttguts ausgelegt wird. Liegt dieses Austragsverhalten vor, ergeben sich folgende Vorteile: Der Behälter arbeitet nach dem „First-in, First-out“-Prinzip; somit hat das Halten eines hohen Füllstands keinen Einfluss auf die Verweilzeit des ausgetragenen Schüttguts. Totzonen bzw. stagnierende Materialbereiche werden eliminiert. Der Inhalt wird gleichmäßig abgezogen, was eine gewisse Rückmischung radial entmischter Schüttgutpartikel bewirkt. Der Austrag kann ohne den Einsatz von Austragshilfen zuverlässig aufrechterhalten werden. Die obigen kurzen Beschreibungen fassen die wesentlichen Unterschiede im Austragsverhalten zwischen den beiden Behältergeometrien zusammen. Wie bereits erwähnt, ist zu beachten, dass diese Austragseigenschaften, obwohl die Abbildungen konische Behälter zeigen, bei allen anderen Formen und Größen von Anlagen auftreten können. Zusammenfassend bleibt zu hoffen, dass diese kurze Beschreibung einiger häufiger Probleme und ihrer Ursachen dem Leser ermöglicht, zumindest einige wahrscheinliche Ursachen für Produktschwankungen in der Anlage zu diagnostizieren. Die Kernbotschaft lautet: Es gibt mehr als vier Jahrzehnte wissenschaftlicher Arbeit zum Verständnis und zur Vorhersage des Verhaltens von Pulvern und granularen Feststoffen in Prozessanlagen, auf die zurückgegriffen werden kann, um zuverlässige Anlagenauslegungen zu gewährleisten. Grosse Cementbunker Abb.1 Kernfluss Abb.2 Massenfluss

Die Förderung und Lagerung von Schüttgütern innerhalb von Prozessen ist seit der industriellen Revolution im 18. Jahrhundert eine grundlegende Aufgabe für viele Anlagen.

Die Prozesstechnologien haben sich in der Zwischenzeit bis heute in ihrer Komplexität und Effizienz enorm weiterentwickelt. Wäre es möglich, einen Ingenieur aus den Anfängen der Industrialisierung in die heutige Zeit zu versetzen, würde er angesichts der enormen Vielfalt an Prozessanlagen, die auf spezifische Anforderungen und Endprodukte zugeschnitten sind, seinen Augen kaum trauen. Was er jedoch mit Sicherheit wiedererkennen würde, sind schlecht funktionierende Silos, Bunker und Trichter, die nicht selten unsanft von den Anlagenbedienern bearbeitet werden.
Dieser Artikel behandelt einige der häufigsten Ursachen für Verarbeitungs- und Fließprobleme, die über die Jahrzehnte hinweg bestehen geblieben sind.

Grundlagen

Die Austragsprobleme bei der Handhabung von Schüttgütern mit weniger günstigen Fließeigenschaften können von unregelmäßigem Austrag bis hin zu vollständigen Fließunterbrechungen reichen (die entweder intermittierend auftreten oder stabil anhalten, bis eingegriffen wird).

Fließstockungen

Austragsunterbrechungen treten häufig in Trichtern und Silos auf und können folgende Formen annehmen:

Mechanische Brückenbildung – physikalisches Verkeilen relativ grober Partikel (kein sehr häufiges Problem, typisch für Gesteinskörnungen oder Materialien mit extremen Formen wie Siedlungsabfälle),
Kohäsive Brückenbildung – Kohäsion zwischen Feinpartikeln,
„Rattenlochbildung“ (Rat-Holing) – Entleerung des zentralen Fließkanals in einem Kernflussbehälter, wobei der Großteil des Inhalts ausreichend interne Festigkeit besitzt, um sich selbst zu tragen – was zur Bildung eines leeren Fließkanals führt, der von der Oberseite bis zum Auslauf reicht.

Diese Fließprobleme treten häufig bei Trichtern und Silos auf, die ohne Berücksichtigung gemessener Fließeigenschaften ausgelegt wurden, oder bei Anlagenteilen, die aus älteren Anlagen übernommen und weiterverwendet wurden. In beiden Fällen wurde die Notwendigkeit, die Geräte an die Fließeigenschaften des zu handhabenden Pulvers anzupassen, nicht berücksichtigt. Der Einbau von Vibratoren oder Luftinjektoren ist dann der übliche Ansatz, um den Fluss zu starten oder aufrechtzuerhalten. Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass sich ohne Durchflussmessungen und deren Einbeziehung in die Konstruktion eines Bunkers oder Silos gewöhnlich Kernfluss ausbildet (Abb. 1). In diesem Fall arbeitet der Bunker/das Silo nach dem Prinzip „First-in, Last-out“. Dieses Fließverhalten zeichnet sich durch unregelmäßige Austragsraten aus, die zudem empfindlich auf die Füllhöhe des Materials im Behälter reagieren.

Die zwei Hauptarten des Austragsverhaltens, die sich in Silos und Trichtern entwickeln können, sind in den folgenden Abbildungen 1 und 2 dargestellt. Diese veranschaulichen die Fließprofile am Beispiel konischer Silos; die Prinzipien gelten jedoch gleichermaßen für rechteckige oder pyramidenförmige Behälterformen.

Kernfluss

Abb. 1 zeigt ein Austragsverhalten, das allgemein als Kernfluss (oder manchmal auch als Trichterfluss) bezeichnet wird, bei dem das Schüttgut bevorzugt über einen vertikalen Kanal oberhalb des Auslaufs austritt. Die Schüttgutpartikel rutschen von der freien Oberseite in den Fließkanal nach, während das Produkt an den Wänden statisch bleibt, bis der Füllstand so weit sinkt, dass auch die Randablagerungen in den aktiven Fließkanal abrutschen können. Wenn dieses Austragsverhalten vorliegt, kann sich dies auf verschiedene Weise auf den Prozess auswirken:

Der Behälter arbeitet nach dem „First-in, Last-out“-Prinzip, was bei längerer hoher Füllmenge zum unvorhersehbaren Auftreten von gealtertem Material oder veränderten Mischungsverhältnissen in der Prozesslinie führen kann.
Es kann eine erhöhte Schwankung der Schüttdichte während des gesamten Austragszyklus auftreten, da die Packungsdichte der Partikel aufgrund schwankender Verweilzeiten vor dem Austrag variiert (da der Behälter bevorzugt frisch zugeführtes Material zieht).
Unterliegt die Schüttgutmischung einer Entmischung durch Oberflächeneffekte (d. h. sie neigt dazu, sich so zu trennen, dass im zentralen Bereich eine Anreicherung von Feinanteilen auftritt, während am Rand ein Mangel an Feingut herrscht), ist der erste Austrag feingutreich (verbunden mit hoher Schüttdichte oder Mischungsungleichgewicht), während die letzten Phasen des Austrags einen höheren Grobgutanteil aufweisen (niedrige Schüttdichte oder Mischungsungleichgewicht).

Standardmäßig ist dieses Austragsverhalten in den meisten Trichtern am häufigsten anzutreffen.

Massenfluss

Abb. 2 veranschaulicht ein Austragsverhalten, das als Massenfluss bezeichnet wird. Im Gegensatz dazu wird diese Art des Austrags dadurch erreicht, dass der Behälter bzw. die Ausrüstung genau auf die gemessenen Fließeigenschaften des ungünstigsten zu handhabenden Schüttguts ausgelegt wird. Liegt dieses Austragsverhalten vor, ergeben sich folgende Vorteile:

Der Behälter arbeitet nach dem „First-in, First-out“-Prinzip; somit hat das Halten eines hohen Füllstands keinen Einfluss auf die Verweilzeit des ausgetragenen Schüttguts.
Totzonen bzw. stagnierende Materialbereiche werden eliminiert.
Der Inhalt wird gleichmäßig abgezogen, was eine gewisse Rückmischung radial entmischter Schüttgutpartikel bewirkt.
Der Austrag kann ohne den Einsatz von Austragshilfen zuverlässig aufrechterhalten werden.

Die obigen kurzen Beschreibungen fassen die wesentlichen Unterschiede im Austragsverhalten zwischen den beiden Behältergeometrien zusammen. Wie bereits erwähnt, ist zu beachten, dass diese Austragseigenschaften, obwohl die Abbildungen konische Behälter zeigen, bei allen anderen Formen und Größen von Anlagen auftreten können.

Zusammenfassend bleibt zu hoffen, dass diese kurze Beschreibung einiger häufiger Probleme und ihrer Ursachen dem Leser ermöglicht, zumindest einige wahrscheinliche Ursachen für Produktschwankungen in der Anlage zu diagnostizieren. Die Kernbotschaft lautet: Es gibt mehr als vier Jahrzehnte wissenschaftlicher Arbeit zum Verständnis und zur Vorhersage des Verhaltens von Pulvern und granularen Feststoffen in Prozessanlagen, auf die zurückgegriffen werden kann, um zuverlässige Anlagenauslegungen zu gewährleisten.