https://www.bulksolids.nl/fenomenen_in_silos.html
Print: 20 Aug 2022 05:22
logo BSE bulk solids engineering

Fenomenen in silo's

Fenomenen in silo's, bulkgoedeigenschappen, metingen, ontwerpen, praktijkcases

Ons eerste document beschreef het vakgebied van de bulktechnologie, met daarin een definitie van stortgoed, ofwel bulk solids, een beschrijving van eigenschappen, meetmethoden, en de basis van het silo-ontwerp.
Dit document behandelt fenomenen die we tegenkomen bij opslag van bulkgoed in silo's, en die problemen kunnen veroorzaken. Met daarbij oplossingsrichtingen en enkele praktijkcases.

I N H O U D
 

Drukopbouw in de silo

Productbeschadiging door normaal-, schuif- en impactkrachten

Toenemende capaciteiten of kortere doorlooptijden vereisen soms grotere grondstofvoorraden. Voor bedrijven die hun grondstoffen in silo's opslaan betekent dit een investering in hogere of bredere silo's. In sommige gevallen leidt dit echter tot problemen. In een grotere silo ondervindt het bulkgoed namelijk een grotere druk. Hierdoor veranderen de eigenschappen, en meestal niet ten goede.
Het opgeslagen product kan breken (degradatie) of samenklonteren (versteviging), waardoor de uitstroom uit de silo wordt bemoeilijkt of problemen ontstaan voor het verdere verloop van het proces. Een hoge druk kan verder aanleiding geven tot schokken van de installatie, slecht functionerende trilbodems (dus slechte dosering) en zelfs bezwijkende trechters. Om de druk in de silo omlaag te brengen, moet men zich vooral bezig houden met de wand van de silo.

Productbeschadiging

In een productieproces waarin deeltjes worden gemaakt, bijvoorbeeld veevoederbrokjes, is het niet te vermijden dat een deel van deze producten al weer tijdens het vervolg van het proces kapot gaat. Behalve dat dit tot productieverlies en waardevermindering van het product leidt, kan het ook de processen zelf nadelig beïnvloeden.
Deze productbeschadiging kan op meerdere plaatsen tijdens het productie- of transportproces plaats vinden. In dit verhaal over opslag in silo’s, kijken we naar oorzaken en reductiemogelijkheden.

Productbreuk

Bij de opslag in een silo ondergaat het product erin normaalkrachten en schuifkrachten, en eventueel impactkrachten bij het vullen van de silo. De normaal- en impactkrachten kunnen tot breuk of fragmentatie van de deeltjes leiden. De schuifkrachten veroorzaken meer een beschadiging van het oppervlak door het ontstaan van scheurtjes of het uitbreken van kleine stukjes.

Gevolgen kunnen zijn:
  • waardevermindering van het product;
  • het ontstaan van stof, hetgeen leidt tot bedrijfsvervuiling en kans op stofexplosies;
  • verandering van de stromingseigenschappen, en daardoor stromingsproblemen;
  • meer kans op ontmenging ;
  • problemen in vervolgprocessen door verandering van dichtheid, permeabiliteit etc.

De beschadigingen die kunnen optreden door impact tijdens het vullen van de silo blijven hier verder buiten beschouwing. Valhoogtes beperken via het aanbrengen van geschikte valbrekers in de silo, vermindert die problemen.

Berekening silodruk

Voorblad NEN-EN 1991-4, Belastingen op silo's
Voorblad NEN-EN 1991-4, Belastingen op silo's

De druk die optreedt in silo’s beschrijven we met de Janssen-formules. Hoewel deze methode niet exact de werkelijk optredende druk zal weergeven, vormt de uitkomst wel een goede indicatie van het drukverloop en van de factoren die de druk bepalen. Voor het vergelijken van drukniveaus is dat geen bezwaar omdat de drukken steeds met dezelfde relatieve onnauwkeurigheid worden berekend.
De standaard Janssen-formule voor de verticale druk (sigmaZ) in de cilinder wordt gebruikt in de gangbare normen (bijvoorbeeld NEN-EN 1991-4, de vervanger van de lang gebruikte DIN 1055, deel 6). Hiermee wordt druk op een bepaalde diepte (z), dus voor een bepaald vulniveau, berekend.

De formule is een functie van
  • de verhouding oppervlak en omtrek van de cilinder (het verticale deel);
  • de wandwrijvingscoëfficiënt (mu_W = tan(phiW));
  • de verhouding tussen verticale en horizontale silodruk, aangegeven door een factor (lambda of K)
  • de bulkdichtheid van het product (gamma = rho*g)

Uit de verticale druk kan de horizontale druk (sigmaH) worden berekend door vermenigvuldiging met de drukverhouding (lambda of K). De horizontale druk is in de cilinder hetzelfde is als de wanddruk, de druk loodrecht op de wand (sigmaH = sigmaW = K * sigmaZ). De schuifspanning aan de wand is de wanddruk vermenigvuldigd met de wandwrijvingscoëfficiënt (tau_W = sigmaW * mu_W).

Invloeden op silodruk

Het drukverloop is dus afhankelijk van de wandwrijving, maar ook van de verhouding tussen oppervlakte en omtrek van de silo. Men kan hieruit afleiden dat een hoge druk kan ontstaan in relatief hoge of brede silo's en in silo's met een lage wandwrijving. Dit laatste kan zijn oorzaak vinden in het afzetten van vet op wand, dat komt nogal eens voor bij silo's met veevoeders, bijvoorbeeld sojaschroot. De norm Deel 6 van de DIN 1055 wijst op dit fenomeen.
Een lage wandwrijving treedt ook op wanneer het stortgoed de silowand heeft gepolijst. Hiervoor moet in de eerste plaats sprake zijn massastroming in de silo. Verder moet het bulkmateriaal relatief hard zijn, maar het kan ook zijn dat een zacht product vervuiling (bijv. zand) bevat. De combinatie kan op den duur zorgen voor spiegelgladde wanden.
Een andere oorzaak van ongewenst hoge drukken in het stortgoed is dat de silo wordt gebruikt voor andere grondstoffen dan waarvoor de silo is ontworpen. Ook verandering van de eigenschappen van een grondstof (bijvoorbeeld de bulkdichtheid) kan een oorzaak zijn.

Mogelijkheden tot drukverlaging

Van de factoren die volgens de Janssenformules de druk bepalen, zijn de bulkdichtheid en de drukverhouding niet of nauwelijks te wijzigen. Verlaging van de vulhoogte is triviaal, deze laten we buiten beschouwing. Blijven over de wandwrijving en de verhouding oppervlak/omtrek.

In de gevallen waar hoge drukken ongewenste gevolgen hebben, zal men streven naar een drukverlaging. In de praktijk worden diverse methoden gebruikt, die bijna allemaal de wand(wrijving) beinvloeden.
Overigens moet men bedenken dat deze methoden voor een bepaald geval een oplossing kunnen zijn, maar dat ze waarschijnlijk niet werken wanneer in dezelfde silo een ander product wordt opgeslagen. De wandwrijving is immers productspecifiek.

Opties voor drukverlaging in silo's

Een aantal mogelijkheden voor drukverlaging zijn:
  1. Het plaatsen van ringen,
  2. Een rand van gaas aanbrengen,
  3. Het plaatsen van één of meerdere tussenwanden,
  4. De wandwrijving verhogen; m.a.w. de wand ruwer maken (profileren of coaten),
  5. Inserts (inbouwlichamen) in de silo aanbrengen,
  6. Tussenconussen toepassen.

1) Plaatsen van ringen

Het plaatsen van ringen in het vertikale deel van de silo is constructief eenvoudig. De juiste dimensionering is echter moeilijk. Een te forse ring kan (plaatselijk) aanleiding geven tot kernstroming, omdat product op de ringen blijft staan. Bij bederfelijk product is dit een probleem.

2) Aanbrengen van stroken gaas

Een verwante methode is het aanbrengen van stroken gaas in de cilinder. Deze stroken worden meestal aan de onderrand bevestigd. Hierbij gelden dezelfde nadelen als bij de ringen. Een bijkomend nadeel is de constructie zelf. Door de hoge belastingen kan het gaas zelf scheuren, of in zijn geheel van de wand worden getrokken.

3) Plaatsen van tussenwanden

De formule van Janssen is een functie van de verhouding oppervlak en omtrek van de cilinder. Verlaging van deze verhouding zal, net als verhoging van de wandwrijving, leiden tot een verlaging van de silodruk. De verhouding oppervlak en omtrek in een silo is in feite niets anders dan het opslagvolume van de cilinder ten opzichte van de hoeveelheid silowand waarmee het stortgoed in aanraking komt.
Voor een horizontale doorsnede van een ronde cilinder is eenvoudig af te leiden dat de verhouding oppervlak en omtrek gelijk is aan de diameter gedeeld door vier. Ook voor vierkante silo’s geldt dit. Verkleining van de silodiameter D leidt dus anders dan bij vloeistoffen tot lagere silodruk bij eenzelfde vulhoogte.
Voor een nieuw te bouwen silo ligt het dus voor de hand om wanneer silodruk een probleem vormt, voor meerdere kleinere cellen te kiezen.

drukken in silo met tussenwanden
Silodrukken met en zonder tussenwand(en)

Bij bestaande silo's is het een mogelijkheid om het wandoppervlak te vergroten door het inbouwen van één of meerdere tussenwanden. Dit verkleint de diameter en vergroot het wandoppervlak. Het effect van deze maatregel is goed te berekenen. Het aanbrengen van tussenwanden heeft als bijkomend voordeel dat er verschillende soorten producten kunnen worden opgeslagen. Nadelen liggen vooral op het constructieve vlak. De wand moet solide worden uitgevoerd en de silo moet vaak worden verstevigd op de bevestigingspunten. Dit leidt tot dure constructies. Een nadeel met betrekking tot de stroming is dat de opening excentrisch komt te liggen. Zie de situatie met veevoederpellets voor een uitwerking van tussenwanden in de praktijk.

4) De wandwrijving verhogen

Verhoging van de wandwrijvingscoëfficiënt leidt tot een forse en nagenoeg lineaire verlaging van de silodruk onderin de cilinder. Bovenin de silo is de invloed kleiner omdat de druk nu wat sneller wordt opgebouwd. Een voorbeeld van deze drukverlaging is gegeven in de figuur, waar de opbouw van de druk is weergegeven voor een vulniveau tot 10 meter, voor een silo met diameter van drie meter, een bulkdichtheid van 1000 kg/m3 en een drukverhouding van K=0.4.

Silodruk bij verschillende wandwrijving
Profiel van druk in een silo bij verschillende wandwrijving
Voor de wandwrijvingscoëfficiënt is aangenomen dat deze wordt verhoogd van 0,3 tot 0,6. In de figuur is duidelijk te zien dat de waarde van de verticale druk vooral dieper in de silo fors afneemt.

Het komt er in het gegeven voorbeeld op neer dat bij de ruwere wand pas bij circa tien meter vulhoogte dezelfde druk wordt bereikt als bij de gladde wand na circa vier meter. Ook de waarde van de wanddruk neemt in dezelfde verhouding af.
De waarde van de schuifspanning aan de wand wordt boven in de silo fors hoger door de stijging van de wandwrijving. Belangrijk daarbij is de gesommeerde schuifspanning langs de wand: dit is de belasting die door de wand wordt gedragen. Voor cilinders is dit de belasting die plooi kan doen ontstaan.
Het is logisch dat deze belasting toeneemt: de afname van verticale druk op het product wordt immers veroorzaakt doordat de kolom meer door de wand gedragen wordt.

De mogelijkheid om de silodruk te verlagen door toename van de wandwrijving, is in de praktijk helaas tamelijk beperkt. Veelal vereist dat een of andere coating of bekleding die de vereiste wrijvingsverhoging oplevert, geschikt is voor het betreffende product én nog voldoende slijtvast is bovendien.
Daarnaast kan de ruwere wand zelf aanleiding geven tot slijtage van het product, hoewel de lagere wanddrukken hierbij weer gunstig werken. Verder zal een minder gladde wand eerder tot vervuiling van de silo kunnen leiden. Tenslotte is de toename van de wandwrijving beperkt door de waarde van de inwendige wrijving van het product. Bij te ruwe wanden zal de stroming niet meer langs de wand maar langs een grenslaag van het product zelf stromen, waarbij geldt dat de wandwrijvingscoëfficiënt gelijk is aan de tangens van de inwendige wrijving (mu_W = tan(phiI)).

Hang-up in silo met trekstangen
Hang-up in silo met trekstangen

5) Inbouwen van inserts

Inserts zijn stromingsobstructies. Ze kunnen worden gevormd door schuine platen, kegels, trechtertjes, kettingen, horizontale staven, etc. Vanuit de praktijk is bekend dat ze een grote drukafname veroorzaken. Het grootste voordeel van inserts is dat ze vaak relatief klein kunnen zijn. Hier ligt echter ook het grootste nadeel: het is niet te voorspellen hoe groot de drukafname en daarmee de belasting op de insert zal zijn. Ook de invloed op het stromingspatroon is slecht voorspelbaar. Er kunnen stromingsproblemen ontstaan, of kan het product op hoogte blijven hangen (hang-ups). Het weer op gang brengen van vastgelopen stroming kan dan, juist door de ingebouwde constructies, erg lastig zijn. Het inbouwen van één of meer zogenaamde tussenconussen in de cilinder is dan een beter alternatief.

Afname silodruk door tussenconus
Afname van de verticale silodruk door een tussenconus

6) Gebruik van tussenconussen

Bij tussenconussen treedt hetzelfde effect op als bij de eigenlijke conus of trechter van de silo. De druk in het stortgoed neemt af, terwijl de belasting op de wand toeneemt. De drukafname en de constructieve belasting zijn goed voorspelbaar. Zie de figuur, waarin het drukprofiel in een cilinder met een tussenconus is weergegeven. Omdat de drukafname bovenin de trechter het grootst is hebben tussenconussen van beperkte hoogte al een aanzienlijke drukverlaging tot gevolg. In de praktijk blijkt dat een tussenconus die slechts 3% van de diameter van de cilinder van de wand steekt, de druk al ongeveer tot de helft terug kan brengen.
Een voordeel van de toepassing van tussenconussen is ook dat massastroming gewaarborgd blijft. Bovendien wordt in geval van massastroming de productmassa, waarin geen onderlinge beweging tussen de deeltjes optreedt bij het zakken in de cilinder, ter plaatse van de tussenconussen weer in beweging gebracht. Daarmee wordt inklinken en samenklonten voorkomen.

Zie de volgende hoofdstukken voor enkele praktijkcases met betrekking tot drukverlaging.

Tussenwanden voor drukverlaging in silo

Beperken van de druk in een opslagsilo vanwege breuk van veevoederkorrels

In de bovenstaande bijdrage bespraken we enkele theoretische mogelijkheden om drukken in opslagsilo’s te verlagen. Dit om schade aan het opslagproduct, bijvoorbeeld het breken van korrels, of het samenplakken van een poeder te beperken. In dit artikel komt twee praktijkvoorbeelden aan bod.

Veevoederpellets in grote silo's

In een veevoederbedrijf worden veevoederpellets geproduceerd, Die worden vervolgens gedroogd en opgeslagen voor ze in bulk of afgezakt naar de klant worden vervoerd. De opslag vond in het verleden plaats in relatief kleine opslagsilo’s. Door uitbreiding van de productie worden er nu grotere silo’s gebruikt. Dit had als een nadeel dat er een aanzienlijk grotere beschadiging van de pellets optrad. Omdat het type stroming in de grote en de kleine silo’s gelijk was, in beide gevallen massastroming, werd geconcludeerd dat de oorzaak van de toegenomen beschadiging lag aan de hogere druk silo’s. De vraag is dan natuurlijk: is daar wat aan te doen?

Uitgangssituatie en mogelijke oplossingen

De eerder gebruikte kleine silocellen waren rechthoekig, met een doorsnede van 1.5 x 1 m, en een hoogte van 8 m. De uitstroomtrechter was voldoende steil voor massastroming. De pellets hadden met de volgende eigenschappen: wandwrijving tenopzichte van de cilinderwand (mu_w) = 0.48; stortgewicht (gamma) = 8 kN/m3.
Op basis hiervan kan met een gekozen waarde voor de spanningsverhouding (lambda of K) van 0.4 met de standaard Janssen-formule de maximaal optredende verticale druk bij volledig gevulde silo worden berekend: sigma_z = 12.4 kN/m2. Deze maximale druk leidde in het verleden niet tot ernstige productbeschadiging.

veevoederpellets
Veevoederpellets; gepelleteerde/geëxtrudeerde deeltjes

De nieuwe silocellen waren eveneens rechthoekig, maar nu met een doorsnede van 2.0 x 2.8 m, en een hoogte van 10 m. Ook in deze silo's trad massastroming op. De in deze cellen optredende verticale druk bij volledig gevulde silo bedroegt: sigma_z = 23.4 kN/m2, dus bijna tweemaal zo hoog als eerst. Omdat er teveel korrels braken, moest de druk dus worden verlaagd. De hoge druk bleek voornamelijk te worden veroorzaakt door de grotere doorsnede. Bij een vulhoogte van 2.3 m was de druk namelijk al hoger dan bij een vulhoogte van 8 m in de oude silo. Minder hoog vullen van de silo daarmee geen optie, en sowieso onwenselijk vanwege het grote ongebruikte volume.

Het inbouwen van tussenwanden

In eerste instantie is gekeken of door het inbouwen van tussenwanden de druk voldoende kon worden verlaagd, en hoe hoog deze wanden zouden moeten worden. De eerste situatie die onderzocht werd is de inbouw van één wand, die de cel in twee gelijke delen verdeelt (zie figuur, optie B). Dit levert al een behoorlijke reductie van de drukken in de silo, omdat de grootte van druk overeenkomt met de verhouding van oppervlak gedeeld door omtrek. Toch bleek voor de huidige cel de drukafname niet voldoende.

silodruk met tussenwanden
Silodrukken met en zonder tussenwand(en)

Daarom is de inbouw van twee onderling loodrechte tussenwanden onderzocht. In het geval dat deze wand even hoog gemaakt zou worden als de silo, zou de druk ruim onder de toelaatbare druk komen te liggen (zie figuur, drukverloop A). Dit betekent dat de tussenwanden minder hoog hoeven te zijn als de silo. Met een aangepaste versie van de Janssen-formule kan worden berekend hoe hoog de wand zou moeten zijn om onderaan de silo precies op de gewenste druk uit te komen. In dit specifieke geval bleken tussenwanden met een hoogte van 8 m voldoende.
NB: Dit betekent dat ook boven de tussenwand de druk al bijna maximaal is (die treedt op bij 2.3 m vulling van de silo zonder tussenwanden). Hieruit kunnen we afleiden dat in de cel die een kwart beslaat van de silo, de druk nog nauwelijks toeneemt: de eindwaarde is bereikt. Dit betekent in de praktijk dat de cel van 1.0 x 1.4 m "oneindig" hoog mag zijn: de druk zal niet verder toenemen.

Aandachtspunten bij tussenwanden

Over de toepassing van tussenwanden voor verlaging van de silodrukken zijn nog de volgende opmerkingen van belang:

  • Verdere verhoging van de tussenwanden boven het punt waar een voldoende reductie wordt bereikt is meestal niet zinvol. Een verdere drukverlaging wordt niet bereikt.
  • Inbouw van tussenwanden heeft grote constructieve consequenties. Een groter deel van de totale silolast wordt hoger in de silowanden opgenomen. De constructie moet hierop worden gecontroleerd en zonodig aangepast.
  • Omdat de tussenwanden aan beide zijden worden belast, lijkt het aannemelijk dat deze wanden horizontaal minder hoeven op te nemen. Vanwege de mogelijkheid van niet-symmetrische stromingen: de ene cel kan leegstromen, terwijl de andere(n) stilstaan, wordt in de bouwnormen aanbevolen de tussenwanden als normale silowanden te berekenen.
  • Soms blijft stroming in één of meer cellen achter, of valt helemaal stil. Zolang produtct blijft uitstromen, valt dit niet op. Tijdsconsolidatie kan er dan echter toe leiden dat deze cellen door brugvorming geheel geblokkeerd raken.
  • De verticale drukken waarnaar hier is gekeken zijn meestal niet de hoogste drukken in een silo. Ter plaatse van de overgang naar de trechter kunnen piekdrukken optreden die aanzienlijk hoger zijn. Deze piekdrukken treden echter zeer lokaal op en bovendien worden ook deze piekdrukken in dezelfde mate gereduceerd als de verticale druk

Het inbouwen van tussenconussen

De silodrukken nemen in het verticale deel van boven naar onder steeds verder toe. In de trechter nemen de drukken weer af; de trechterwanden dragen erg veel van het totale gewicht. Vooral het bovenste deel van de trechter neemt veel druk op. Dit effect kan gebruikt worden door één of meer trechters met beperkte hoogte in te bouwen op verschillende hoogte in de cilinder.

silodruk met tussenconussen
Silodrukken met en zonder tussenconussen
Ook voor het probleem met de veevoederpellets is de inbouw van deze zogenaamde tussenconussen onderzocht. Er werd berekend dat er drie tussenconussen van slechts 30 cm hoog nodig waren om de druk onder het toelaatbare niveau te houden, zie de figuur. Deze grote drukafname door een tussenconus betekent dat de constructie daar ter plaatse zwaar belast wordt. Deze verticale last moet door de wand of door verstevigingen (verticale ribben) worden opgenomen.
Voor de onderhavige situatie was dit niet aantrekkelijk, en is derhalve gekozen voor de oplossing met tussenwanden.

Praktische verificatie

Om te controleren of de gekozen methode voor het verlagen van de druk ook werkelijk in de praktijk tot een kleinere productbeschadiging zou leiden, zijn wat tests uitgevoerd. In een van de nieuwe cellen zijn twee onderling loodrechte tussenwanden met een hoogte van 7.5 m aangebracht. Deze aangepaste cel en de ernaast gelegen ongewijzigde cel zijn vervolgens om en om met lagen pellets gevuld. Zodanig dat in beide cellen een vergelijkbaar product was opgeslagen. Tijdens het vullen zijn uit de vulstroom een aantal monsters genomen. Na het vullen zijn beide silocellen geleegd waarbij op vaste tijdstippen monsters uit de productstroom zijn getrokken.

Van al deze monsters is door tellen en meten de gemiddelde lengte van de pellets bepaald als vergelijkingsmaatstaf voor het optreden van de mate van productbeschadiging. De gemiddelde lengte van het materiaal vóór de silo was 16.8 mm. Na opslag in de silocel zonder tussenwanden was deze lengte teruggelopen tot circa 12.5 mm. Bij de cel met tussenwanden was de lengte verminderd tot ca 14.4 mm. Hoewel er dus, zoals ook verwacht, nog steeds beschadiging van het product optreedt, is door het inbouwen van de tussenwanden wel een aanzienlijke verbetering opgetreden.
Tijdens de tests zijn beide gebruikte cellen direct volledig geleegd zodat een deel van het opslagproduct niet onder de hoge drukken heeft gestaan. In de praktijk worden de cellen vaak niet steeds totaal geleegd maar geregeld worden nagevuld. Daardoor komt wel meer materiaal onder de hogere drukken te staan. In dat geval zal de verbetering door de tussenwanden nog groter uitpakken.

Drukverlaging met behulp van tussenconussen

Vermijden van schokken in silo's met melkpoeder

Problematische verlading

Bij een bedrijf waar melkpoeder wordt verladen in bulkwagens, had men de gereedproductsilo's verhoogd voor een grotere inhoud. Probleem na deze ingreep was echter dat de silo's nu zodanig schokten bij het leegstromen, dat de weging werd verstoord. Soms traden nl. dermate grote schokken op dat de silo tonnen lichter leek te zijn. De verlading werd dan door de software stilgelegd, alsof het doelgewicht bereikt was. Opnieuw opstarten kostte veel tijd. Om de gewenste hoeveelheid in de bulkauto te krijgen, moest "erg voorzichtig" verladen worden, hetgeen ook veel extra tijd kostte.
Schokken waren het hevigst wanneer de silo's vol waren, maar niet alleen vanwege de grotere massa in de silo: blijkbaar werd het schokgedrag ook negatief beinvloed door de vulgraad. Opvallend was dat het optreden van schokken te maken had met de geschiedenis van een partij. Zo traden in deze ronde silo's schokken op boven een vulling van 18 ton als de bunker vol geweest was (50 ton). Werd de bunker met niet meer dan 30 ton gevuld, dan traden helemaal geen schokken op.
Er waren twee typen silo's, met kleinere en grotere diameter. Bij eenzelfde vulling in tonnen, schokken de kleinere cellen minder.

Schokkende silo's

Na een literatuuronderzoek bleek dat het schokken van een silo verschillende oorzaken kan hebben. Een bekende is het optreden van slip/stick (zie kader). Ook als gevolg van een variërende wandwrijving kunnen tijdelijke bruggen ontstaan, die bij het instorten zware schokken kunnen veroorzaken. Een andere oorzaak voor schokken is het verstevigings- of ontluchtingsgedrag van het product in combinatie met de silogeometrie. Ook de omslag van massa- naar kernstroming in de silo, onregelmatige uitstroom door bijvoorbeeld een asymmetrische opening of een slecht functionerend uitdraagmechanisme kan schokken doen ontstaan. Zie ook oorzaken van schokkende silo's.
In alle gevallen geldt dat een hogere druk in de silo aanleiding is tot meer en grotere schokken. Dus ook al kent men de oorzaak van het schokken niet (precies): voldoende drukverlaging zal de oplossing brengen.

Stick-slip gedrag

Van melkpoeders en weipoeders is bekend dat ze stick-slip-gedrag vertonen. Men spreekt van stick-slip wanneer een product een duidelijk verschillende statische en dynamische wandwrijving heeft. Bij het meten van de wandwrijving van melkpoeder komt dit duidelijk naar voren. Wanneer het monster stil staat is de wandwrijving hoog (stick). Komt het eenmaal in beweging, dan wordt de wrijving lager zodat het monster snel verschuift (slip). Het product komt dan weer tot stilstand en het effect herhaalt zich.
Ook zonder meting is van de meeste producten al duidelijk dat ze stick-slip-gedrag zullen vertonen. Het is te voelen wanneer het product bijvoorbeeld in een plastic zak zit. Wordt erin geknepen dan voelt men dat vervorming schokkerig gaat. Vaak gaat dit gepaard met geluid: het product 'piept' tijdens het vervormen. Zie registratie stick-slip.

Het inbouwen van tussenconussen

In een silo nemen de drukken in het verticale deel van boven naar onder steeds verder toe. In de trechter nemen de drukken weer af; de trechterwanden dragen nu veel van het totale gewicht. In de praktijk is te ervaren: wanneer de uitstroomopening erg klein is, is de druk ook erg laag: het product is met de hand tegen te houden, zelfs als er een 'kolom' van 10 meter product in de silo staat.

Ronde silo met tussenconussen
Schematische weergave van een ronde silo en het drukverloop met tussenconussen

De drukafname is het grootst bovenin de trechter. Daar maakt de oplossing met tussenconussen dankbaar gebruik van. Zie figuur hierboven. Door een tussenconus met een hoogte van slechts 25 cm kan de verticale druk al een factor 2 worden verkleind.

Ontwerp van tussenconussen

De goede werking van tussenconussen staat of valt met het ontwerp. Hierbij zijn de belangrijkste aspechten het bepalen van de toegestane druk, en het meten van de wandwrijving en inwendige wrijving.
Bij een zekere silo-geometrie is de wandwrijving de belangrijkste factor voor de optredende druk in de silo (onderbroken lijn in de figuur hierboven). Verder moet natuurlijk vastgesteld worden wat de maximaal toegestane druk is. In bestaande situaties is dat realatief eenvoudig, door het vulniveau vast te stellen waarboven problemen optreden. In andere gevallen kunnen metingen van de producteigenschappen (bijvoorbeeld de versteviging) in combinatie met de bedrijfscondities aangeven wat de druk maximaal mag zijn. Verder is de drukafname in een conus of tussenconus is afhankelijk van de inwendige wrijving van het product. Deze is te bepalen met de Jenike shear cell. Als daar reden voor bestaat kunnen stromings- en brugvormingsgedrag van het product worden bestudeerd.
Met de boogtheorie (Jenike, Enstad, Benink) kan aan de hand van de producteigenschappen de drukafname bij toepassing van tussenconussen worden berekend. Hiermee zijn de afmetingen van de tussenconussen exact te bepalen. Hoe meer tussenconussen gebruikt worden, des te kleiner wordt de totale gesommeerde hoogte en daarmee het materiaalgebruik. De montagekosten worden echter groter. De constructeur kan dan voor een specifieke situatie het optimale aantal tussenconussen kiezen.

Tussenconussen in de praktijk

Foto van ronde silo met tussenconussen
Tussenconussen in de praktijk: zeer klein ten opzichte van de silodiameter

In de situatie met melkpoeder kon één tussenconus de druk voldoende verlagen, maar dan moest deze tamelijk hoog worden, ten opzichte van toepassing van twee or meer conussen. Bovendien: hoe minder tussenconussen (voor hetzelfde maximale drukniveau), des te hoger de drukafname en daarmee de plaatselijke belasting.
Meer tussenconussen betekent echter meer werk, en is dus is kostentechnisch minder gunstig. Om deze redenen is gekozen voor drie tussenconussen: hierbij was extra versteviging van de cilinderwand niet nodig.
Op de foto (genomen door de uitstroomopening naar de deksel, bij een liggende silo) is te zien dat de drie tussenconussen relatief klein zijn.

Voorspelbaarheid van de drukverlaging

Het vermijden van hoge druk op het product is vooral van belang bij producten die schokken van de silo kunnen veroorzaken. Een bekende aanwijzer daarvan is stick-slip-gedrag, hetgeen bijvoorbeeld bij melkpoeders en weipoeders optreedt. Ook bij breekbare korrels, zoals bij geperste of geëxtrudeerde pellets, moet de druk beperkt blijven, om breuk te voorkomen. Bij plakkende en hakerige producten is een hogere druk nadelig omdat problemen verergeren, vaak meer dan verhoudingsgewijs. Ook bij grote massastroomsilo's of silo's met asymmetrische stroming moet men ten zeerste bedacht zijn op de nadelige effecten van een hoge druk.
Toepassing van tussenconussen voor drukverlaging heeft een aantal belangrijke voordelen. Het grootste voordeel is de voorspelbaarheid van de drukverlaging. Hierdoor is het aantal en de grootte van de tussenconussen exact te bepalen. Indien grote silo's worden gebouwd voor bijvoorbeeld breekbare producten, verdient het aanbeveling tussenconussen bij de bouw mee te nemen. De kosten zijn dan aanmerkelijk lager dan wanneer ze in een bestaande silo moeten worden gemonteerd.

Schokkende, trillende en toeterende silo’s

Oorzaken en mechanismen

Van brommen tot toeteren en schokken

Silo’s voor de opslag van poeders of korrels zijn over het algemeen wel zo te ontwerpen dat ze hun werk naar behoren kunnen doen. Maar soms treden er merkwaardige en vaak lastige dingen op. Sommige silo’s blijken in combinatie met bepaalde soorten stortgoed een wat brommerig geluid voort te brengen (‘de silo zingt’), of erger, een periodiek optredend geluid alsof er een vrachtwagen staat te toeteren (het zogenaamde silo-honking).
Een ander fenomeen is een continu trillen van de silo (silo vibrations) waarbij ook andere delen van de constructie in trilling kunnen raken. Het ergste verschijnsel betreft het optreden van soms zeer zware schokken (silo quaking). Die zijn dan in het hele silogebouw en in zelfs in de omgeving daarvan voelbaar en kunnen schade veroorzaken aan de constructie.

Case: Schokkende silo met melkpoeder

Het schokken van een silo kan verschillende oorzaken hebben. Een bekende is het optreden van slip/stick. Als gevolg van een variërende wandwrijving kunnen tijdelijke bruggen ontstaan, die bij het instorten zware schokken kunnen veroorzaken. Een andere oorzaak voor schokken is het verstevigings- of ontluchtingsgedrag van het product in combinatie met de silogeometrie. Ook de omslag van massa- naar kernstroming in de silo, onregelmatige uitstroom door bijvoorbeeld een asymmetrische opening of een slecht functionerend uitdraagmechanisme kan schokken doen ontstaan.
In alle gevallen geldt dat een hogere druk in de silo aanleiding is tot meer en grotere schokken. In de meeste gevallen worden de schokken kleiner als het niveau in de silo daalt. Er is dan een niveau waarbij schokken niet meer optreden.
Opvallend is dat het optreden van schokken te maken kan hebben met de geschiedenis van een partij. Zo traden in een ronde silo met melkpoeder (diameter 3.7 m, hoogte 11 m) schokken op met een vulling van slechts 18 ton als de bunker vol was geweest (50 ton). Werd de bunker met niet meer dan 30 ton gevuld, dan traden helemaal geen schokken op. Zie drukverlaging met tussenconussen.

Stromingspatroon

In een silo zal voor een bepaald product, afhankelijk van de trechterhoek en de wandwrijving, massastroming dan wel kernstroming ontstaan. Bij massastroming is al het stortgoed in beweging en vindt stroming langs de wand plaats, terwijl bij kernstroming het stortgoed (gedeeltelijk) in zichzelf stroomt en er stilstaande zones zullen bestaan.

Massastroming First-in, First-out Massastroming
Massastroming
Kernstroming, schachtvorming Kernstroming, schachtvorming
Kernstroming: een deel van het product in de silo staat stil

Bij beide stromingstypen kunnen onregelmatigheden tijdens stroming tot schokken leiden. Hoewel er diverse oorzaken zijn, is het mechanisme in principe hetzelfde. Er zijn of er ontstaan stilstaande gebieden in het stortgoed die plotseling wel in beweging komen en vervolgens weer even plotseling tot stilstand komen.
Afhankelijk van de inwendige wrijving, de elasticiteit en de demping van het product leidt dit tot schokken in de silo. De sterkte van de schokken en de schokfrequentie wordt in grote mate mede bepaald door de ruimte die het product krijgt om af te glijden en de hoeveelheid betrokken product.

Oorzaken van trillingen en schokken

De hier bedoelde verschijnselen moeten niet worden verward met het plotseling instorten van semi-stabiele gewelven of bruggen, zoals dat kan voorkomen bij de silo-opslag van cohesieve materialen, en waarbij vaak meteen aanzienlijke schade ontstaat. We hebben het hier over min of meer periodieke verschijnselen die op treden bij meestal vrijstromende producten die vrij hard zijn en een niet al te hoge inwendige wrijving hebben. Bekende voorbeelden zijn maïs, cementklinker, steenkool, ijzererts, en diverse harde kunststofgranulaten.

Vanuit de praktijk zijn verschillende situaties bekend die tot schokken van de silo kunnen leiden:

  1. stick-slip, inwendig of langs de silowand,
  2. In silo's waar stroming op de grens tussen massa- en kernstroming ligt.
  3. Het wegglijden van stilstaande zones in kernstroomsilo's,
  4. Door ongelijkmatige ontrekking door feeders,
  5. In massastroomsilo’s, door dilatatie en compactie van het stortgoed.

1) Stick-slip

Stick-slip kan optreden wanneer een relatief groot verschil bestaat tussen de statische en de dynamische wrijving. Dit kan optreden bij zowel de inwendige wrijving, als bij de wandwrijving. Het stortgoed schuift dan niet gelijkmatig in zichzelf, of langs een wand, maar komt moeilijk in beweging, schiet dan door en wordt weer afgeremd, een zich steeds repeterend mechanisme. Hierdoor ontstaat een schokkerig bewegingspatroon dat in interactie met de wand, en afhankelijk van de stijfheid van de constructie tot trillingen of schokken kan leiden.
Bij welke typen stortgoed stick-slip optreedt is moeilijk te voorspellen, maar bij het meten van de inwendige wrijving en wandwrijving zal dit wel snel worden gesignaleerd. Zie de afbeelding hieronder voor een schematische weergave van de wandwrijvingsmeting met en zonder stick-slip.

Stick-slip bij wandwrijving
Registratie van wandwrijvingsmeting, met en zonder stick-slip

Het optreden van stick-slip blijkt vaak ook drukafhankelijk te zijn: bij hogere druk is het effect (veel) groter. Dit houdt in dat bij verlaging van de druk de mate van stick-slip afneemt en soms zelfs geheel verdwijnt.

2) Omslag massa- en kernstroming

Schokken door afwisselend massastroming en kernstroming
Afwisseling van massa- en kernstroming kan schokken veroorzaken

Bij een opslagsituatie waarbij het stromingspatroon in de silo en product zich in het overgangsgebied tussen massa- en kernstroming bevindt, kan een situatie als geschetst in de afbeelding hiernaast optreden.
Door een eerste vulling kan het stortgoed in de trechter behoorlijk verdicht zijn. Omdat de trechter net niet steil genoeg is voor massastroming, zal een stroomkanaal in het stortgoed zelf ontstaan. Dit stroomkanaal is bovenaan meestal wijder dan onderaan; er vormt zich een trechter van product. Rond het stromende deel bestaan stilstaande zones. Doordat het stortgoed tijdens stromen dilateert (oftewel: het wordt minder dicht, want voor beweging is ruimte nodig) wordt de horizontale druk in het stroomkanaal minder, waardoor de stilstaande zone minder wordt gesteund.
Bovendien zal er wrijving bestaan tussen het stromende en het stilstaande stortgoed, waardoor aan de stilstaande massa wordt “getrokken”. Hierdoor kan er een situatie ontstaan waarbij het stilstaande gebied of gedeelten daarvan, ineens langs de wand naar beneden schieten.
Dit maakt dat het stortgoed in het stroomkanaal weer samen wordt geperst en de afglijdende zones afgeremd waarbij een schok kan ontstaan. Daarna begint het geheel weer opnieuw wat een periodiek schokken veroorzaakt.

3) Schuivende massa in kernstroomsilo's

Schokken in kernstroomsilo
Schokken in een kernstroomsilo

In een kernstroomsilo kan een tamelijk steil stroomkanaal gevormd worden, zoals geschetst in de afbeelding hiernaast. Dit stroomkanaal wordt normalerwijze steeds bijgevuld doordat stortgoed vanaf de bovenkant van de stilstaande zones toestroomt.
Ook hier zal het stortgoed in het stroomkanaal dilateren, zodat minder horizontale steun ontstaat voor de stilstaande gebieden. Dit kan leiden tot het wegschieten van schollen product langs slipvlakken in het stortgoed zelf. Het plotseling weer afremmen van dit stortgoed in het stroomkanaal leidt eventueel tot een schok waarbij ook het stortgoed in het kanaal weer wordt verdicht en het proces opnieuw begint.

 

4) Bij slecht werkende feeders

dode zone in silo
Risico op schokken door ongelijkmatige onttrekking

Bij goed werkende massastroomsilo’s is al het stortgoed in beweging en bestaan in feite geen stilstaande zones. Het komt in de praktijk echter geregeld voor dat een onder de uitstroomopening aangebrachte feeder dit ideale patroon verstoort. Dit is bijvoorbeeld het geval wanneer een slecht ontworpen uitdraagschroef, trilfeeder of uitvoerband het stortgoed maar over een gedeelte van de uitstroomopening onttrekt.
Hierdoor ontstaan in de trechter een intern stromingskanaal en stilstaande zones, die op dezelfde manier als hierboven geschetst tot schokken kunnen leiden.

 

5) Schokken door dilatatie tijdens stroming

dilatatie bij stroming poeder
Röntgenopname van dilatatie in stortgoed bij stroming

Ook in silo's waarin keurige massastroming optreedt, kunnen toch nog schokken optreden. Omdat vaak de gehele massa in de silo meedoet, kunnen juist deze schokken zeer groot zijn. Het verschijnsel laat zich als volgt verklaren. In het verticale deel van de silo zakt bij voldoende vullinggraad het stortgoed als een min of meer vast blok naar beneden, de zogenaamde plug-flow. In de trechter moet beweging in het stortgoed zelf plaats vinden waarbij dus dilatatie van het product op zal treden. Deze dilatatie begint bij de uitstroomopening en breidt zich naar boven in de trechter uit. Hierdoor zal het stortgoed in de cilinder, de plug, minder steun ondervinden van het gedilateerde deel in de trechter. Daardoor schiet het plotseling een stukje omlaag waarna het weer wordt afgeremd door het stortgoed in de trechter, met een schok als gevolg. Tevens wordt het stortgoed in de trechter weer verdicht waarbij het proces opnieuw begint en er opnieuw een schok kan optreden. De grootte van de schok wordt hier bepaald door de stortgoedeigenschappen, door de ruimte die het stortgoed krijgt om te zakken en de hoeveelheid massa in de plug die er bij is betrokken.

Combinatie van oorzaken

Bovengenoemde fenomenen treden soms ook in combinatie op. Zo kunnen bij kernstroomsilo’s waarbij het bovendeel van het product toch als een plug naar beneden zakt, dezelfde schokken optreden als bij massastroomsilo’s. Ook het optreden van stick-slip kan soms het schokgedrag inleiden of versterken. Hieronder zal nader worden ingegaan op mogelijkheden die bestaan om de hier beschreven problemen te voorkomen of op te lossen.

Mogelijke oplossingen voor schokkende silo’s

Voorkomen is beter dan genezen

In de bijdrage hierboven is beschreven hoe en waarom in een silo trillingen, schokken en andere ongewenste verschijnselen kunnen optreden. We zullen nu wat verder ingaan op mogelijke gevolgen van deze problemen en, belangrijker, hoe ze kunnen worden voorkomen dan wel worden opgelost.

Problemen door schokkende silo’s

In het geval van het zingen van silo’s of bij lichte trillingen zijn de gevolgen meestal niet groot. Het is hooguit wat irritant voor het bedienende personeel in het silogebouw en daar vlak omheen. Dit geldt in feite ook voor het ‘toeteren’, hoewel dit wel eens heeft geleid tot klachten over burengerucht en de noodzaak tot aanpassing van het gebruikspatroon. Het wordt ernstiger wanneer de trillingen zodanig zijn dat delen van de constructie gaan meetrillen en lichte schades kunnen optreden. In het geval van echte schokken moet de zaak zeker serieus worden bekeken. Het leidt niet alleen voor het bedieningspersoneel tot een ongewenste situatie, maar kan ook ontregeling van meetapparatuur veroorzaken, of de dosering vanuit de silo onregelmatig maken doordat het afgegeven product geen constante dichtheid heeft. Bij ernstige schokken kan zelfs beschadiging van de silo of van de ondersteunende constructie optreden. Het is opvallend dat in de normen die de berekening van silolasten voorschrijven weinig aandacht aan deze mogelijke lastenverhoging wordt geschonken.

In de ontwerpfase van de silo

Al tijdens de ontwerpfase dient aan de hier genoemde problemen aandacht te worden gegeven. Voorkomen moet worden dat het ontwerp net op de grens van massa- en kernstroming uitkomt, daar dit vaak een aanleiding tot schokken oplevert door instabiele dode zones. Beter is het ruim binnen het massastroomgebied te gaan zitten, of als dit niet mogelijk of gewenst is, duidelijk voor kernstroming te kiezen. Bij toepassing van wigvormige trechters met langwerpige uitstroomopeningen, dient de gekozen onttrekapparatuur zodanig ontworpen te worden, dat ze over de gehele lengte van de opening stortgoed onttrekt. Dit om dode zones boven een deel van de opening te voorkomen.
Tenslotte dient zo mogelijk te worden vermeden dat zogenaamde stick-slip-stroming van het materiaal langs de silowand optreedt. Dit kan aanleiding geven tot trillingen, maar kan ook zwaardere schokken inleiden of versterken. Het mogelijke stick-slip-gedrag kan meestal eenvoudig worden aangetoond met een standaard afschuifproef. Hierbij wordt het materiaal onder diverse belastingen over een testplaat geschoven, waarbij de benodigde schuifkracht wordt gemeten als functie van de verplaatsing. Bij stick-slip treden grote variaties in de gemeten schuifkracht op, zoals in onderstaande figuur is weergegeven. Indien bij een bepaalde combinatie van stortgoed en silowand significante stick-slip blijkt op te treden, dient zo mogelijk een ander wandmateriaal of wandcoating te worden toegepast.

Stick-slip bij wandwrijving
Registratie van wandwrijvingsmeting, met en zonder stick-slip

Aanpassen van bestaande situaties

In de ontwerpfase kan tot op zekere hoogte het optreden van schokken en trillingen kan worden onderzocht en vervolgens vermeden. Maar het optreden van schokken blijftook in een bepaalde mate onvoorspelbaar. Ook kan het zijn dat het stortgoed zich toch anders blijkt te gedragen dan waarvan in de ontwerpfase is uitgegaan, of omdat geheel andere producten in de silo worden opgeslagen. De vraag is dan hoe het probleem van schokken of trillen kan worden opgelost. In de bijdrage hierboven is beschreven dat er meerdere oorzaken aan de basis van het probleem kunnen liggen. Eerste stap richting een oplossing is dan ook om na te gaan welke oorzaken in de onderhavige situatie een rol spelen. Om op basis daarvan kan een oplossing te zoeken.
Hieronder wordt voor diverse oorzaken kort aangeven wat oplossingen kunnen zijn.

Stick-slip-trillingen

Wanneer stick-slip-stroming in een silo optreedt, is dit meestal te constateren aan lichte trillingen die voelbaar zijn aan de cilinderwand. Dit hoeft geen probleem te vormen, tenzij de trillingen hinderlijk zijn voor bijvoorbeeld weging of meting. Ook kunnen trillingen bij grotere vulgraad schokken veroorzaken. Om dit op te lossen moet worden nagegaan of het stick-slip-gedrag van bulkgoed langs de wand of inwendig plaatsvindt. Dit kan worden vastgesteld met een afschuifproef, bijvoorbeeld met de Jenike shear cell.
Wanneer er sprake is van stick-slip langs de wand, kan worden geprobeerd met een geschikte wandbekleding of coating een beter stroomgedrag te krijgen. Is er alleen sprake van inwendige stick-slip, dan is er op zich weinig aan te doen. Wel is het praktisch bijna altijd zo dat bij lagere drukken het stick-slip-gedrag in veel mindere mate optreedt, zowel langs een wand als inwendig. Meestal is het daarom een oplossing om door geschikte maatregelen het drukniveau in de silo te verlagen zodat het stick-slip-effect wordt onderdrukt. Zie mogelijkheden tot drukverlaging.

Oplossen van schokken bij een grensontwerp

kernstroming_en massastroming
Betrouwbare massastroming verkrijgen

Wanneer een vrij regelmatig patroon van op zich niet al te zware schokken optreedt, kan dit te wijten zijn aan een grensontwerp, waarbij de stroming wat pendelt tussen massa- en kernstroming. Dit kan worden gecontroleerd door het meten van de wandwrijving, en vast te stellen of deze, in combinatie met de trechterhoek, op het grensgebied bevindt. Indien in een bepaald geval een grenssituatie bestaat, zoals aangegeven in de afbeelding als punt A bij axiaal-symmetrische stroming (linker grafiek), moet worden geprobeerd om tot een echte massastroming te komen. Hiervoor bestaan meerdere mogelijkheden. De vaak simpelste methode is het verlagen van de wandwrijving door een geschikte coating of bekleding van de conuswand te zoeken, waarbij de situatie bijv. in punt B terechtkomt, met een goede massastroming. Helaas blijkt het niet altijd mogelijk om een geschikte en ook slijtvaste bekleding te vinden. Een tweede mogelijkheid is het steiler maken van de conus, zodat bijvoorbeeld punt C wordt bereikt. Ook dan zal massatroming optreden, maar het is een ingrijpende oplossing die in een bestaande situatie meestal niet eenvoudig is te realiseren.

kegel in ronde trechter
Benadering van vlaksymmetrische stroming

In situatie met ronde of vierkante trechters en dus axiaal-symmetrische stroming is er een nog een mogelijkheid: overgaan naar vlaksymmetrische stroming. Voor dit type stroming is een minder steile trechterhoek nodig om massastroming te krijgen, zie punt A in de grafiek van de vlaksymmetrische situatie.
Aanpassen van de trechter is het beste, maar in de praktijk vaak te ingrijpend. Met een verdringerkegel in de conus (zie schets van doorsnede van een ronde silo) kan vlakke stroming benaderd worden. Door het inbouwen van de kegel ontstaat onderaan rond de kegel een langwerpige uitstroomopening, waardoor een semi-vlak stromingsprofiel optreedt. Het nadeel van het inbouwen van een verdringerkegel is dat de plaats en de juiste vorm van de kegel nogal kritisch is om een optimaal resultaat te krijgen. Bovendien moet de kegel tamelijk groot worden, en is er een ondersteuningsconstructie nodig die meestal de stroming zal belemmeren. In de literatuur zijn hiervoor ontwerprichtlijnen te vinden.
Tenslotte bestaat nog de mogelijkheid om aan de silogeometrie zelf niets te wijzigen, maar via trillers op de trechter of door het inblazen van lucht het stromingspatroon te verbeteren, om meer stortgoed in beweging te krijgen. De effecten van deze maatregelen zijn echter vaak niet zo groot, en werken meestal slechts plaatselijk.

Oplossen van schokken door kernstroming

Indien kernstroming blijkt op te treden, kan in eerste instantie worden geprobeerd om massastroming te krijgen op één van de manieren zoals hierboven beschreven in situatie waarbij stroming op de grens ligt. Veelal is in praktijksituaties met kernstroming de trechterhoek lang niet steil genoeg, of de wandwrijving dermate hoog, dat er geen eenvoudig praktisch toepasbare oplossingen zijn. Er kan nog worden geprobeerd het stroomgedrag te verbeteren door trillers op de trechter of het inblazen van lucht. Doch bij echte kernstroming is de kans op succes hierbij klein omdat de stroming zich relatief ver van de wand afspeelt. Wel is het soms mogelijk om, wanneer echte schokken optreden, met behulp van luchtkanonnen de stilstaande zones op geregelde tijdstippen in beweging te brengen. Daarmee worden de schokken niet geheel voorkomen maar zullen ze regelmatiger en minder hevig optreden.

Oplossen van schokken bij massastroming

Ook bij een goede massastroming kunnen trillingen en schokken optreden. Deze kunnen worden veroorzaakt door een slecht werkend onttrekmechanisme waarbij instabiele zones boven de uitstroomopening ontstaan. Hierop moet het systeem worden gecontroleerd en moet het onttrekmechanisme worden aangepast. Maar ook bij goed werkende uitdraagapparatuur kunnen bij massastroming problemen optreden. Meestal blijkt bij kleinere vulling van de silo de intensiteit van de schokken minder te worden. In dat geval kan het nuttig zijn om de druk op de trechter te verlagen. zie mogelijkheden tot drukverlaging.

Praktijkoplossingen voor schokkende silo’s

Drie cases waarin schokken werden voorkomen of geminimaliseerd

In de twee bijdragen hierboven werd beschreven hoe en waarom allerlei vervelende problemen als trillingen en schokken in een silo kunnen ontstaan en wat eventuele oplossingen kunnen zijn. In dit verhaal een aantal cases waarin met succes een schok-probleem is opgelost.

Case 1) Poedermelksilo’s met doseerproblemen

Silo’s op drukdozen

Bij een bedrijf dat diervoeders produceert, maakte men voor jongveevoeder in poedervorm gebruik van twaalf slanke silo’s met een diameter van ruim 3 meter en een maximale vulhoogte van 5 meter. De trechters van de silo’s waren rond en steil, met een trechterhoek met de verticaal van 20 graden. De silo’s waren voorzien van trilbodems waarmee het uitstroomdebiet kon worden geregeld. Elke silo was afgesteund op vier drukdozen die het gewicht van silo-inhoud nauwkeurig registreerden. Dit systeem werd gebruikt voor het beladen van bulkwagens waarbij een geijkte nauwkeurigheid van de belading kon worden gegarandeerd.

Verhoging van silo’s

Dit beladingsysteem werkte lange tijd naar behoren, totdat vanwege capaciteitsvergroting werd besloten de silo’s te verhogen, zodat de vulhoogte 9 meter zou kunnen worden. Vanaf dat moment traden er bij meerdere producten, vooral bij vette melkpoeders, behoorlijke schokken op. Op zich waren deze schokken geen probleem voor de siloconstructie maar het weegsysteem raakte compleet van slag. Er werden afwijkingen gemeten tot soms twee ton ten opzichte van het werkelijke vulgewicht met als gevolg dat de trilbodem geregeld veel te vroeg werd uitgezet en de uitlevering stopte. Omdat pas na een minuut het systeem weer mocht worden opgestart, ontstond een traag en lastig te besturen systeem.

Dure alternatieven

Oplossingen als het gebruik van weegbruggen voor het wegen van de bulkwagens of het bouwen van kleinere tussenbunkers werden in eerste instantie als nogal duur van de hand gewezen. Besloten werd schokken zelf aan te pakken. Als eerste mogelijkheid werd de werking van trillers op diverse plaatsen van de cilinderwand uitgeprobeerd. Het bleek dat twee trillers per silo, onderaan en halverwege de cilinder, het probleem redelijk beheersbaar maakte. Helaas bleek de bovenste triller bij daling van het vulniveau thermisch uit te slaan zodat hiervoor een aparte regeling nodig was. Vanwege de vrij hoge investeringen, extra energieverbruik, extra lawaaioverlast en met het oog op toekomstige uitbreidingen, bleek deze oplossing niet optimaal.

Massastroming en hoge druk

De zoektocht ging verder. Metingen aan de producten maakte duidelijk dat een zekere mate van stick-slip optrad, zowel aan de wand als inwendig. Uit de gemeten wandwrijving en de toegepaste trechterhoek kon verder worden geconcludeerd dat in de silo’s duidelijk massastroming optrad. Bij massastroming worden schokken dikwijls veroorzaakt doordat de massa in de cilinder de ruimte krijgt om plotseling wat te zakken en daarna wordt afgeremd. De ruimte ontstaat doordat het materiaal in de trechter dilateert of doordat mogelijk wat instabiele bruggen in de cilinder of de trechter bezwijken. In beide gevallen speelt de verticale druk, en dus de vulhoogte in de cilinder een grote rol bij de intensiteit van de schokken. Ook bij de beschouwde silo bleek beneden een bepaald vulniveau geen schokgedrag meer op te treden.

Drukverlaging

Het was dus zaak om ook bij een volledig gevulde silo de verticale druk te verlagen tot onder de druk van dit kritische niveau. Dit bleek mogelijk door het inbouwen van een aantal tussenconussen. Uit een berekening volgde dat met inbouw van twee conussen met een hoogte van h=30cm, dan wel drie met h=22cm de druk voldoende kon worden teruggebracht. Gekozen werd uiteindelijk voor de inbouw van twee stuks waarna het systeem geen storende schokken meer vertoonde.
Zie Drukverlaging met behulp van tussenconussen.

Case 2: grondstofsilo met zware schokproblemen

Silo met broekstuk en twee uitlopen

Voor de opslag van diverse grondstoffen in een chemische industrie werd gebruik gemaakt van een aantal slanke silo’s met een opslagcapaciteit van circa 40 ton per stuk. Bij een aantal producten traden al bij een silovulling van 15 ton sterke schokken op en bij 20 ton was het schokniveau niet meer aanvaardbaar. Het verlagen van het drukniveau door inbouwen van een ontlastingsconus onderin de cilinder bleek nauwelijks te helpen. Besloten werd daarom tot een nader onderzoek naar oorzaak en oplossing van het probleem. De betreffende silo bestaat uit een cilindrisch bovendeel met een diameter van 2.5 meter en een hoogte van 6 meter, voorzien van een gecoate boventrechter die uitloopt in een broekstuk, zodat er met twee uitstroomopeningen ontstaan. Elke opening is voorzien van een trilgoot.

Hard stortgoed

Metingen aan het product dat de meeste schokken veroorzaakte wezen uit dat het een vrij hard materiaal met een niet al te hoge inwendige wrijving (35 graden) betrof, met een licht stick-slip gedrag zowel inwendig als t.o.v. het wandmateriaal. Op basis van de wandwrijving (24 graden) gemeten op de gecoate binnenwand van de trechter bleek dat een trechterhoek van 18 à 20 graden met de verticaal nodig zou zijn voor een goede massastroming.

Ongelijkmatige stroming

De bestaande hoek van boventrechter was 20 graden, dus op de grens. Dit zou (mede) oorzaak van de schokken kunnen zijn door de wisseling van massa- naar kernstroming en omgekeerd.
Dieper in de trechter treedt dit niet meer op omdat de uitlopen van het broekstuk steiler zijn. Ook bestond de mogelijkheid dat door ongelijk materiaal onttrekken via beide uitlaten een asymmetrische stroming ontstaat met de kans op instabiele tijdelijke zones. De praktijk wees echter uit dat er altijd schokken optraden, ook wanneer via beide uitlaten dezelfde hoeveelheid werd onttrokken.

Bewegingsruimte

dilatatie bij stroming poeder
Röntgenopname van dilatatie in stortgoed bij stroming

Zoals hierboven uiteengezet, is ook bij zuivere massastroming schokvorming mogelijk doordat het stortgoed in de trechter dilateert (uitzet omdat er ruimte nodig is voor de beweging) hetgeen de massa in de cilinder de ruimte geeft om plotseling na te zakken. Deze schokvorming treedt voornamelijk op bij vrij harde materialen met een lage, inwendige wrijving. Het beschouwde product voldeed hier aan.

Mogelijke oorzaken

In feite bleven er twee mogelijke oorzaken over voor het schokgedrag. Namelijk:

  1. het instorten van instabiele zones door een niet ideale massastroming en/of
  2. door de dilatatie in de uitstroomtrechter.

Het schokgedrag werd daarbij mogelijk nog versterkt door het stick-slip effect van het product.

 

Oplossing

De oplossing moest dus worden gezocht in het aanpakken van deze genoemde mogelijkheden door een aanpassing van de silo waardoor:

  • het massastroomprofiel wordt verbeterd in het bovendeel van de trechter
  • het gebied waar dilatatie kan optreden wordt verkleind
  • de zakking van de productmassa in de cilinder beheerst kan worden.
 
dakvormige inbouw om schokken te vermijden
Dakvormige inbouw om schokken te vermijden

Inbouw

Na het bekijken van een aantal mogelijkheden kwam als bruikbare oplossing naar voren het ter plaatse van de overgang inbouwen van twee of meer concentrische ringen, elk voorzien van een dakvormige opbouw.
De hoeken van deze opbouw moeten wel voldoende steil zijn om massastroming te garanderen en de ruimte tussen de ringen groot genoeg om brugvorming te voorkomen.
Het voordeel van de inbouw is dat er veel minder ruimte voor dilatatie van het product is, met als gevolg ook minder ‘valruimte’ voor het bovenliggende materiaal in de cilinder. Bovendien wordt de druk op de rest van de trechter verlaagd zodat daar geen of weinig verdichting meer zal optreden.
Het nadeel is dat deze oplossing constructief nogal lastig is zodat uiteindelijk gekozen is voor een serie evenwijdige dakjes zoals aangegeven in de figuur.
Hoogte, helling en afstand tussen de dakjes werden zo gekozen dat een goede en ongestoorde massastroming kon worden verkregen. De dilatatie van het materiaal vindt nu alleen in de ruimtes tussen de dakjes plaats waardoor deze ruimte vele malen kleiner is dan in de oorspronkelijke situatie. De inbouw neemt verder een aanzienlijk deel van de verticale last op.

Het resultaat van de inbouw was dat, hoewel het schokgedrag nog niet geheel was verdwenen, het nu aanzienlijk verminderde en een vulling tot 35 à 40 ton nog acceptabel bleek.

Case 3: dagbunker voor kolen met feeder-problemen

Voor de tussenopslag van steenkool bij een kleine kolencentrale werd een silo gebruikt met een diameter van 3.5 meter en een cilinderhoogte van 8 meter. Onderaan de trechter was een uitdraagschroef aangebracht die het bulkgoed doseert naar de molen.
Vanaf de ingebruikname van de installatie traden bij bepaalde koolsoorten lichte schokken op. Deze schokken waren geen probleem voor de constructie of omgeving, maar ontregelden wel de dosering, zodat het proces zo nu en dan werd verstoord.

schokken door ongelijkmatige onttrekking
Schokken in kolensilo door ongelijkmatige onttrekking

Controle van de silo en de schokkende koolsoorten wees uit dat er sprake moest zijn van een goede massastroming. Ook bij inspectie van bovenaf bleek een mooie gelijkmatige zakking van de kolen op te treden. Omdat het niet echt een probleem opleverde, werd er voorlopig maar niets aan gedaan.
Toen na enige tijd de slijtage van de trechterbekleding moest worden gecontroleerd, kwam de aap uit de mouw. Aan de voorzijde van de trechter, de kant dus waar de schroef de silo verlaat, was aanzienlijk minder slijtage opgetreden dan in de rest van de trechter. Dit wees dus duidelijk op een slecht werkende feeder die hoofdzakelijk materiaal aan de achterzijde onttrekt, met als gevolg (instabiele) dode zones aan de voorzijde.

Ontwerp uitdraagschroef

Aanpassing van de schroef door een variatie van de spoed en de diameter verbeterde het onttrekpatroon en daarmee bleken de schokken nagenoeg verdwenen.
Zie Ontwerp uitdraagschroef