Bulksolids-onderwerpen

Gedragingen van bulkgoed, fenomenen, aandachtsgebieden

Dit document behandelt fenomenen die we tegenkomen bij het transport en de opslag van bulkgoed, en onderwerpen die aandacht vereisen.
Zie ook de documenten over bulktechnologie, fenomenen in silo's en belastingen in silo's.

De rol van lucht bij solids handling

Verplaatsingen door lucht; opzettelijk en onopzettelijk.

In een aantal eerdere artikelen is ingegaan op het stromingsgedrag van stortgoederen en de wijze waarop dit gedrag via metingen kon worden voorspeld. Hoewel het stroomgedrag door vele variabelen wordt beïnvloed, is de aanwezigheid van lucht in of in aanraking met het materiaal misschien wel een van de grootste factoren hierbij. De rol die de lucht speelt, kan zowel positief als negatief uitwerken, geheel afhankelijk van het proces waarbij het optreedt. Op de verschillende aspecten van de rol die lucht kan spelen, zowel in positieve als in negatieve zin, zal in een aantal artikelen nader worden ingegaan.
Bij de beschrijving van stromingsgedrag, bijvoorbeeld voor het silo-ontwerp, in de eerdere artikelen is er steeds uitgegaan van lage transportsnelheden, deeltjes in nauw onderling contact, en rusttijden die voldoende lang zijn om eventueel door het poeder ingesloten lucht te laten ontwijken. In de praktijk van de bulkverwerking komen echter vele situaties voor waarbij deze voorwaarden niet op zullen treden. Hier speelt de in het bulkgoed aanwezige lucht (of een ander gas) wel degelijk een rol. Hierna beschrijven we een aantal van die situaties en de specifieke rol van gas hierin. Meestal is dat lucht, voor het gemak noemen we het in het vervolg lucht. Lucht is een veel voorkomend medium om stortgoed direct of indirect te verplaatsen. Er zijn echter ook situaties waarbij de verplaatsing onopzettelijk gebeurd.

Pneumatisch transport

De meest voor de hand liggende toepassing bij gewenste verplaatsing is pneumatisch transport. Hier fungeert lucht als drager om het materiaal via een buizenstelsel van A naar B te transporteren. Voordeel van dit pneumatisch transport is de vrijheid van traject en transportlengte. Transportleidingen kunnen ook in bestaande situaties worden aangelegd.
Nadelen vormen het vrij hoge energiegebruik en, bij bepaalde producten, de grote slijtage van apparatuur of beschadiging van de deeltjes. Bovendien moet aan het eind van de rit lucht en product weer worden gescheiden. Vooral bij zeer kleine deeltjes is dat een lastige opgave, zowel het scheiden als ook de afvoer van het vaak cohesieve fijne materiaal.

Luchtgedragen bandtransporteur

Een tweede toepassing is het gebruik van lucht als dragend medium bij een zogenaamde luchtbandtransporteur. Dit is in feite een normale bandtransporteur, maar de band in het bovenpart wordt nu niet gedragen door rollen maar door een luchtfilm tussen de band en de ronde goot waarin de band loopt (zie hiernaast). Over nagenoeg de volle lengte van de band wordt via een reeks toevoergaatjes lucht onder de band geblazen. Alleen ter plaatse van het opstortpunt zijn een aantal steunrollen nodig om de impulskracht van het opvallende materiaal op te vangen. Voordelen van dit systeem zijn het geringe vermogen dat nodig is voor het aandrijven van de band, een rustiger loop van de band omdat deze niet doorbuigt tussen de rollen en een lager geluidniveau. Het extra vermogen voor het in stand houden van de luchtfilm is relatief gering.
Het energetisch voordeel neemt af wanneer grote hellingen worden toegepast omdat dan de aandrijfenergie voor een deel als hefarbeid nodig is die niet door de wrijving wordt beïnvloed. De band moet verder zelf flexibel zijn om goed aan te sluiten bij de vorm van de goot opdat een gelijkmatige luchtfilm ontstaat. Hierdoor kunnen alleen relatief dunne banden worden toegepast. Daardoor leent dit type transporteur zich minder voor grote lengtes en zware beladingen die veel trekkracht in de band vragen.

Fluïdisatie-goot

Een derde toepassing is het gebruik van lucht in een fluïdisatie- of beluchtingsgoot. Bij een gewone glijgoot wordt stortgoed met behulp van de zwaartekracht getransporteerd, de hellingshoek moet daarbij ruim groter zijn dan de wrijving tussen goot en product. Om ook bij kleinere hellingshoeken transport mogelijk te maken, wordt in de beluchtingsgoot via een luchtdoorlatende bodem of via nozzles lucht tussen goot en materiaal geblazen waardoor de wrijving sterk afneemt en transport kan optreden.

Stofvorming

Er zijn ook situaties waarbij de verplaatsing van (de fijnste fractie van) solids onopzettelijk gebeurd. In diverse processen waarbij stortgoed wordt bewerkt of getransporteerd komen fines uit het product vrij, of ontstaat het zelfs. Bijvoorbeeld stof dat ontstaat tijdens het malen en breken van het materiaal, stof dat vrijkomt op de overstortpunten van transportsystemen of tijdens het vullen van silo’s. Door spontane of opgewekte luchtstromen kunnen deze kleine deeltjes worden meegevoerd. In de meeste gevallen is het noodzakelijk om het ontstaan van stof te bestrijden en/ of het te verzamelen door het af te zuigen. Eén methode van stofbestrijding is te sproeien met een mist van kleine waterdruppels. Hierdoor wordt het stof wordt ingevangen en komt het terug bij de hoofdstroom. Het is alleen niet altijd toepasbaar omdat de meeste processen niet gebaat zijn bij toevoeging van extra vocht.

Stofexplosies

Een ander voorbeeld waarbij lucht een ongewenste rol speelt zijn stofexplosies. Deze kunnen in principe optreden wanneer er wordt gewerkt met brandbare producten, zoals meel, diervoeder, melkpoeder, houtmot, suikers en poederkool. Voorwaarde voor het ontstaan van een stofexplosie is een brandbaar mengsel van stof en zuurstof (meestal in de vorm van lucht) en een ontstekingsbron van voldoende energie om het mengsel te laten ontbranden. De benodigde ontstekingsenergie hangt hierbij af van het soort product, de deeltjesgrootte, het vochtgehalte en de stofconcentratie. De benodigde ontstekingsbronnen blijken vaak voorhanden in de vorm van een elektrische vonk (statische ontlading), een gloeiend oppervlak (door broei in een stoflaag, langzame verbranding van een stoflaagje op een heet oppervlak, zoals een heetgelopen lager) of menselijke fouten zoals het lassen of slijpen in een te stoffige omgeving.
Stofexplosies zijn niet alleen meestal krachtiger dan gasexplosies (er is meer massa bij betrokken), vaak kunnen er nog secundaire explosies optreden. Door de snelle verbranding en snel toenemende druk in de ruimtelijk opgesloten stofwolk ontstaat er bij de primaire explosie een drukgolf die zich in het opslag- of processysteem voortzet en waarbij nieuwe stofmassa’s kunnen opwervelen zodat nieuwe explosiebronnen ontstaan. Door de hoge temperatuur in de aanwezige gassen kunnen dan secundaire explosies optreden waarbij een geheel traject in een bedrijf kan worden afgelegd. De beste manier om de kans op dit soort explosies zo klein mogelijk te houden, is goede stofbestrijding en verwijderen van stof in de omgeving. Om de gevolgen van (niet altijd te vermijden) explosies te beperken, worden vaak maatregelen als explosieluiken toegepast. Hiermee wordt de opgebouwde druk beperkt en worden drukgolven voorkomen. Ook het explosieveilig uitvoeren van constructies waarbij wel vervorming en beschadiging door een explosie mag ontstaan, maar geen volledig bezwijken mag optreden, bieden soelaas.

Lucht als procesmiddel

In een aantal processen wordt lucht of een (inert) gas toegepast om een proces te doen verlopen of te verbeteren. Hierbij kunnen we denken aan gepakte bedden waar lucht doorheen wordt geblazen om te drogen, te koelen of om eventuele reactieproducten af te voeren. Wanneer het brandbare producten betreft of er kans op broei bestaat, is het aan te bevelen inert gas te gebruiken. De kans dat in deze processen kleinere deeltjes worden meegenomen, is meestal klein omdat de luchtsnelheden laag zijn. Maar als de fijne fractie erg klein is (en belangrijk, zoals bijvoorbeeld bij medicijnen), is dit toch een risico. Een aparte toepassing is het gefluïdiseerde bed. Hierbij ligt de luchtstroom zodanig hoog dat de deeltjes los van elkaar komen en een soort vloeistofgedrag vertonen. Door het hierbij optredende innige contact tussen stortgoeddeeltjes en lucht (of gas) is fluïdisatie uitermate geschikt voor het laten verlopen van allerlei processen. Deze toepassing zal in een apart artikel uitvoerig worden behandeld. Ook bij opslag van stortgoed in silo’s speelt lucht een al dan niet gewenste rol, zie onder.

Invloed van lucht in silo's

Positieve en negatieve invloed van lucht

Hierboven kwam de functie van lucht bij bewerking of transport van bulk solids aan de orde. Ook bij de opslag van stortgoederen in silo’s kan lucht zowel in positieve als negatieve zin een factor van betekenis spelen. Deze keer voorbeelden van de invloed van lucht op het productgedrag en de voorspelbaarheid daarvan.

Stromingsbevordering met lucht

Veel producten stromen niet probleemloos uit silo’s. Hier worden diverse systemen met gebruik van lucht toegepast om stroming op gang te houden of te brengen. Bij fijne poeders worden beluchtingsbodem ingezet, vaak bij grotere silo’s met een licht hellende bodem. De bodem bestaat meestal uit een permeabel materiaal of doek in verschillende vormen: langwerpig, vierkant of rond. De lucht verlaagt de wandwrijving en brengt een soort pneumatisch transport op gang richting de uitgang. Ook in steilere trechters kunnen dit soort elementen worden ingebouwd om stroming te starten en/of te bevorderen. Dit soort beluchting gebruikt lagere drukken en een constante luchttoevoer tijdens het lossen van de silo.
Een andere mogelijkheid om stroming te bevorderen, zijn systemen met hogere druk, vaak luchtkanonnen genoemd. Deze bestaan uit op meerdere plaatsen in de conuswand aangebrachte luchtkleppen (nozzles) die lucht onder vrij hoge druk (circa drie tot acht bar) in korte pulsen in het bulkgoed of langs de wand blazen. Ze worden meestal toegepast om gevormde materiaalbruggen te breken, stabiele inwendige stroomkanalen te ondergraven, of het aankleven van solids te voorkomen. Het effect is een beetje te vergelijken met het slaan tegen het bulkgoed. Ook zal de ingeblazen lucht de wandwrijving en inwendige wrijving van het product plaatselijk wat verlagen en daarmee het stromen bevorderen.

Inlaten/inblazen van lucht

In een silo wordt de druk van boven naar beneden hoger, en de bulkdichtheid daarmee ook. De lucht tussen de deeltjes wordt eruit geperst, en verdwijnt naar boven. In de trechter zal het bulkgoed weer uit moeten zetten om te kunnen stromen. Bovenin de trechter is het bulkgoed compact, zodat lucht toe zal stromen vanaf onder. Gebeurt dat niet voldoende, dan neem de luchtdruk tussen de deeltjes af, en kan dit de stroming belemmeren of blokkeren. Dit speelt vooral bij fijnere materialen (kleiner dan ca 0,4mm).
De onderdruk van lucht kan worden voorkomen door in de trechter lucht toe te laten of in te blazen. Onderzoek heeft uitgewezen dat een toename van het uitstroomdebiet tot een factor drie hierbij tot de mogelijkheden behoort. In de praktijk blijkt echter dat hoeveelheid en plaats van de in te blazen lucht moeilijk te voorspellen zijn en de uitstroming bij grotere luchthoeveelheden onregelmatig wordt.
Bij sommige producten kan luchttoevoer ertoe leiden dat het poeder zich als een vloeistof gaat gedragen ('Flooding') en stroming ontstaat die niet door op stortgoed gerichte apparatuur zoals een uitdraagschroef beheerst kan worden.

Ontmenging

Bij het vullen van een silo zal met de productstroom altijd een hoeveelheid lucht meekomen, en bij vulling met pneumatisch transport nog meer. Hierdoor ontstaan luchtstromingen in de silo waarmee ook kleine deeltjes uit de materiaalstroom worden meegenomen. Er kan dan ontmenging van fijner en grover materiaal optreden, zie de figuur hiernaast.
Bovendien zal bij grotere luchtstromen de uit de silo stromende lucht weer moeten worden gereinigd met bijvoorbeeld een filtersysteem of een cycloon.
Lees meer over ontmengmechanismen en ontmenging in silo's

Flooding

Bij het onttrekken van product aan een silo, neemt zoals hierboven beschreven de druk eerst toe, en in de trechter weer af. De ruimte tussen de deeltjes in de trechter moet daarom groter worden om stroming mogelijk te maken. Hierdoor neemt de luchtdruk in de ruimte tussen de deeltjes af en zal een tegenstroom van lucht vanaf de uitstroomopening optreden. Bij wat grovere producten (korrels) is de weerstand voor de lucht gering en zal de onderdruk eenvoudig worden opgeheven zonder invloed op de stroming. Maar bij fijne materialen (poeders) is de permeabiliteit (luchtdoorlaatbaarheid) klein zodat een grotere onderdruk kan blijven bestaan. Bij grote uitstroomsnelheden zal dit sterker optreden omdat er dan minder tijd voor luchtdruknivellering beschikbaar is. Hierdoor kan in het onderste gedeelte van de conus een zodanig sterke tegenstroom optreden, dat het poeder gedeeltelijkefluïdiseert. Hierdoor neemt zowel de inwendige wrijving als de wandwrijving af en de uitstroomsnelheid nog toe. Het proces versterkt zichzelf en de fluïdisatie stijgt nog meer. Dit resulteert in het plotseling uitstromen van grote hoeveelheden gefluïdiseerd bulkgeod dat wordt aangeduid met ‘flooding’ of ‘(door)schieten’.
Voorbeelden uit de praktijk tonen aan dat een grote hoeveelheid poeder dan als water door uitdraagschroeven heen schiet. Zo’n gefluïdiseerde stroom laat zich eigenlijk alleen beheersen met een positieve afsluiter zoals een goed werkende cellenradsluis. Daarmee is het gevaar van flooding geweken maar is een gelijkmatige, uniforme uitstroom nog niet verzekerd. Vaak vertoont het uitstromende bulkgoed nog een grote variatie aan dichtheid, hetgeen een betrouwbare dosering verstoort.

De kans op flooding in een massastroomsilo is kleiner dan in een kernstroomsilo, omdat bij massastroming de stroomsnelheden lager zijn.

Schachtvorming

In kernstroomsilo’s is de kans op flooding het grootst omdat daar nauwere stroomkanalen ontstaan, dit wordt schachtvorming (shaft building, ratholing) genoemd. In zo’n schacht is de stroomsnelheid hoger, hetgeen sneller voor problemen zorgt. Daarnaast is een dergelijk kanaal is meestal niet stabiel, zodat ineens een grote hoeveelheid poeder inclusief meegesleurde lucht van boven af in het stroomkanaal kan schieten. Als het poeder in het kanaal fluïdiseert, krijgt de lucht door de vrij grote stroomsnelheid en een lage permeabiliteit geen tijd om te ontwijken. Bij de uitstroomopening bevat het poeder nog zoveel lucht dat er flooding optreedt.

Ontluchtingstijd

De derde oorzaak van flooding treedt op bij het snel vullen van silo’s met kleine afmetingen met een poeder waaruit de lucht langzaam ontwijkt. Bij sommige poeders duurt het zeer lang voordat door vrije val of pneumatisch transport ingesloten lucht kan ontwijken. Hoe kleiner het oppervlak van een silo, des te langer het duurt. Bij het leegstromen kan daardoor flooding ontstaan, eerder als er sprake is van een klein stromingskanaal (kernstroming, ratholing).
Constructietechnisch moet rekening gehouden worden met een ander drukprofiel als het bulkgoed lang lucht vasthoudt, en dus (bijna) gefluïdiseerd blijft. In plaats van een belastingsprofiel als bij stortgoed, moet rekening gehouden met een hydrostatische druk, dus vergelijkbaar aan vulling met een vloeistof. De optredende wanddruk, in de cilinder horizontaal gericht, is dan meestal hoger.

Invloedsfactoren

De invloed van lucht op het stromingsgedrag van een stortgoed afhankelijk is van de volgende parameters:

• De permeabiliteit (luchtdoorlaatbaarheid) van het bulkgoed. Deze grootheid geeft een maat voor de weerstand die de lucht ondervind bij het stromen door het bulkgoed. De permeabiliteit is kleiner zijn naarmate de deeltjes kleiner zijn, een bredere deeltjesgrootteverdeling hebben, en dichter op elkaar gepakt zijn.
• De bulkdichtheid van het materiaal. Bij toenemende dichtheid zal de permeabiliteit in het algemeen afnemen. De dichtheid is op haar beurt weer afhankelijk van de druk op het materiaal;
• De deeltjesdichtheid van de deeltjes zelf (solid density). Hoe hoger deze dichtheid, hoe minder gevoelig deze deeltjes zijn voor lucht. Vergelijk ijzerdeeltjes met bijvoorbeeld silica;
• De verandering van de inwendige wrijving en/of de eigensterkte van het bulkgoed wanneer luchtinsluiting plaatsvindt. Dit bepaalt in hoeverre betere stroming of mogelijk doorschieten van het product zal optreden.

Deze invloed van beluchting en ontluchting kan gemeten of tenminste kwalitatief bepaald worden met onderstaande tests.