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Come funzionano le tramogge e come evitare i problemi di flusso di gravità della tramoggia

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Come ingegnere consulente nel settore della movimentazione e della lavorazione di solidi alla rinfusa, si verificano regolarmente problemi relativi al flusso inaffidabile dai serbatoi di stoccaggio (tramogge, silos, bunker). Questo documento si propone di spiegare come funzionano le tramogge, come progettare un flusso affidabile per una nuova nave e tecniche di retrofit da utilizzare per migliorare lo scarico dalle navi esistenti.

A cura del dott. Robert Berry, ingegnere consulente senior per il Wolfson Center for Bulk Solids Handling Technology

Dott. Robert Berry, ingegnere consulente senior per il Wolfson Center for Bulk Solids Handling Technology

Dott. Robert Berry, ingegnere consulente senior per il Wolfson Center for Bulk Solids Handling Technology

Schemi di flusso nelle tramogge

Quando un silo scarica materiale, possono verificarsi due schemi di flusso distinti; flusso centrale (flusso ad imbuto) e flusso di massa come illustrato in fig 1a, b & c.

Il modello di flusso del nucleo è il modello predefinito in cui la maggior parte delle navi opera (a meno che il flusso di massa non sia stato specificamente progettato per) in cui per materiale scorre un canale di flusso preferenziale sopra l'uscita e il materiale attorno alle pareti rimane statico.

Se il prodotto scorre liberamente e il silo ha una sezione parallela alta, il canale di flusso può espandersi alle pareti del silo superiore, come mostrato nella figura 1a.

Se il materiale ha un grado di coesione, l'angolo di espansione del canale di flusso sarà molto ripido, quindi il canale di flusso si estenderà fino alla superficie superiore dell'inventario nel silo.

Questo modello di flusso centrale fornisce una prima in ultima forma di rotazione delle scorte, che può portare a;

  • Il lavaggio di materiali aerabili, ovvero il materiale aerato appena caricato passa direttamente nel canale di flusso,
  • La cottura in forno (agglomerato indesiderato) di materiali sensibili al tempo, vale a dire che le regioni statiche attorno alle pareti possono indurirsi nel tempo e prendere residenza permanente nel silo,
  • Segregazione di materiali con una distribuzione di grandi dimensioni, cioè se caricati centralmente, si forma un angolo di riposo nel silo, le particelle grossolane rotolano alla base della pila (parete) e le multe sono meno mobili e si raccolgono al centro del silo. Una volta scaricate nelle cariche del flusso centrale escono per prime seguite da una proporzione crescente di particelle grossolane.

Il modello di flusso alternativo e desiderabile per materiali difficili da maneggiare è il flusso di massa (mostrato nella figura 1c) in cui la tramoggia ha pareti molto più ripide in modo che si verifichi uno scivolamento del materiale sulle pareti e tutto il materiale è in movimento quando si verifica lo scarico.

Questo dà un primo nel primo schema di scarico e tutto il materiale ha un tempo di permanenza costante, riducendo al minimo le possibilità di agglomerazione e inondazioni. Durante la separazione del materiale separato all'interno del silo durante il caricamento, l'estrazione uniforme verso il basso provoca il remix durante lo scarico. Il flusso di massa fornisce anche una velocità di scarica per gravità più coerente nel tempo e indipendente dal livello di inventario.

Gli svantaggi principali del flusso di massa sono il potenziale di usura delle pareti se il prodotto immagazzinato è molto abrasivo (è necessario un flusso del nucleo o una tolleranza di usura), maggiori pressioni sulla parete durante lo scarico (perché tutto il contenuto è vivo) in particolare alla transizione dalle sezioni parallele a quelle convergenti del silo e un maggiore requisito di spazio per la testa per immagazzinare un determinato volume di materiale a causa della tramoggia più ripida.

Schemi di flusso del silo a) flusso centrale (materiale a flusso libero)
Schemi di flusso del silo b) core-flow (materiale coesivo)
Schemi di flusso del silo c) flusso di massa

Fig 1 Schemi di flusso del silo a) flusso del nucleo (materiale a flusso libero) b) flusso del nucleo (materiale coesivo) ec) flusso di massa

Misura della frizione a parete

La determinazione del flusso di massa o del flusso di un materiale richiede una misurazione dell'attrito tra la parete della tramoggia e la polvere immagazzinata. Questo può essere fatto tagliando una cella di polvere consolidata su un campione di parete che misura la forza di taglio mentre si controlla la forza normale.

La forza di taglio viene tracciata in funzione della forza normale, il locus di cedimento della parete, il cui angolo rappresenta l'angolo di attrito della parete, ovvero l'angolo a cui la parete deve essere inclinata per causare lo scivolamento della polvere lungo la parete.

La relazione tra il mezzo angolo della tramoggia del flusso di massa e l'angolo di attrito della parete è presentata in fig 2a & b e mostra che, poiché l'angolo di attrito della parete riduce l'angolo della tramoggia di limitazione per il flusso di massa, diventa più superficiale. Vale a dire maggiore è l'attrito tra la polvere e la parete della tramoggia, più ripida è la tramoggia necessaria per il flusso di massa.

Due estremi della forma della tramoggia sono presentati con una tramoggia conica e una tramoggia piana o a cuneo. Quest'ultimo fornisce un flusso di massa a mezzo angolo maggiore perché il materiale converge in una sola direzione anziché in due per un cono.

Limiti del flusso di massa per tramogge coniche e piane (a cuneo)
Limiti del flusso di massa per tramogge coniche e piane (a cuneo)

Fig 2 Limiti di portata massica per tramogge coniche e piane (a cuneo)

Ostruzione del flusso

Quando un silos non riesce a scaricarsi per gravità, esistono tre tipi principali di ostruzione del flusso, ovvero l'arco meccanico, l'arco coesivo e la foratura del ratto, vedere rispettivamente fig 3a, b & c.

L'arcata meccanica è il caso relativamente banale in cui le particelle sono troppo grandi, rispetto alla dimensione dell'uscita, e diverse particelle possono incepparsi meccanicamente sull'uscita.

Per evitare ciò, il diametro di un'uscita circolare (o diagonale di un'uscita di slot) deve essere di ca. 10 volte maggiore della dimensione massima delle particelle.

Fig 3 Ostruzioni del flusso del silo b) arco arcuato

Fig 3 Ostruzioni del flusso del silo a) arco meccanico

Fig 3 Ostruzioni del flusso del silo b) arco arcuato

Fig 3 Ostruzioni del flusso del silo b) arco arcuato

Fig 3 Ostruzioni del flusso di silo c) foratura di topo coesa

Fig 3 Ostruzioni del flusso di silo c) foratura di topo coesa

Inarcamento coesivo e foratura del ratto sono i punti in cui il materiale acquista resistenza quando consolidato a causa della coesione in funzione di una granulometria fine tipicamente inferiore a X XUMXmicrons (dove le forze di van-der-Waals dominano sulle forze di gravità) o presenza di liquido superficiale in cui la superficie la tensione lega le particelle insieme.

Con materiale coesivo se la dimensione dell'uscita è troppo piccola, si formerà un'ostruzione e il flusso di gravità si verificherà solo quando il diametro / larghezza dell'uscita è sufficientemente largo da far sì che il peso del solido di massa nell'arco superi la resistenza non definita del materiale. L'arco coeso è la condizione di limitazione del flusso in un silo a flusso di massa, la foratura del ratto è la condizione di limitazione del flusso in un silo a flusso centrale.

Il buco del ratto si verifica perché per il diametro del nucleo, la sollecitazione del telaio è insufficiente per superare la resistenza del materiale, quindi come prima il diametro di uscita deve essere aumentato, aumentando così la sollecitazione del telaio fino a quando si verifica un guasto.

Per un silo a flusso di massa, la dimensione critica dell'uscita è in gran parte indipendente dalla dimensione del silo, tuttavia per un silo a flusso centrale la dimensione critica del foro del ratto può aumentare significativamente quando la nave diventa più grande (di diametro e altezza) e il sollecitazioni consolidamento nei tubi aumenta.

funzione di flusso

Per dimensionare l'uscita di un silo per superare l'arco coesivo o la foratura del ratto, la resistenza coesiva del materiale viene misurata e rappresentata come funzione di flusso (fig 4a) che è una stampa blu per la scorrevolezza di un determinato materiale. La misurazione della funzione di flusso è meglio illustrata dal concetto di test di un castello di sabbia (vedi fig 4b).

Nella prima fase del test del "castello di sabbia", il solido sfuso viene compattato uniassialmente in uno stampo (benna) per una data sollecitazione normale. Nella seconda fase del test, lo stampo (secchio) viene rimosso per rivelare il solido "castello di sabbia".

Una crescente sollecitazione verticale viene quindi applicata al solido sfuso non confinato (castello di sabbia) e registrata la forza di picco in caso di guasto. L'asse orizzontale della funzione di flusso rappresenta lo stress di consolidamento, "lo stress applicato per compattare il castello di sabbia nel secchio", rispetto alla forza di rottura non confinata "la forza del castello di sabbia indipendente" sull'asse verticale. Sebbene i mezzi di misurazione in pratica siano test di taglio piuttosto che azioni uniassiali, il significato è lo stesso.

Flusso grafico di funzione

Fig 4 a) La funzione di flusso

Il test castello di sabbia

Fig 4 b) Il test del castello di sabbia

consolidamento

Per entrambi i tipi di silo il consolidamento può essere un fattore significativo. Questo è dove la resistenza del materiale aumenta in funzione del periodo di conservazione statica, dove le particelle si avvicinano insieme aumentando la resistenza.

Pertanto, se il materiale viene lasciato statico nella tramoggia per un fine settimana, è necessaria una grande dimensione di uscita per far fluire il materiale il lunedì mattina. Questo può essere progettato caratterizzando la forza nel periodo di tempo richiesto.

In alternativa, se si utilizza questo periodo di tempo, ausili di scarica potrebbero essere impiegati dall'uscita al diametro dell'uscita di tempo da utilizzare solo quando si reinizializza il flusso da un lungo periodo di immagazzinamento statico.

Feeder interfacciamento

Avendo la geometria del silo corretta per un flusso di gravità affidabile, è possibile riconvertire un silo a flusso di massa in uno a flusso centrale, attraverso un'interfaccia di alimentazione inadeguata. Esistono numerosi tipi di alimentatori utilizzati per controllare la velocità di scarico dei prodotti dal silo incluso; viti, cinghie, catene, slitte vibranti, aratri, valvole rotanti e per ognuna esiste un modo corretto e errato di interfacciarsi.

Una vite e una cinghia sono utilizzate di seguito per descrivere il principio di buona pratica di interfacciamento. Un'interfaccia standard errata per una vite è un passo e un diametro costanti che danno un volume di trasporto fisso.

Pertanto, la vite sposta il materiale in avanti dal primo passo, quindi l'unico posto in cui il materiale nel silo può entrare nella vite è dal retro della fessura. Pertanto, un silos a flusso di massa si scarica in modo core-flow a causa della geometria dell'interfaccia dell'alimentatore mal progettata.

Ciò che è richiesto per supportare il flusso di massa è una vite con diametro esterno fisso, ma con passo crescente e riduzione del diametro dell'albero nella direzione di avanzamento. Pertanto, il volume mosso dalla vite aumenta nella direzione di avanzamento e il materiale scorre lungo l'intera fessura nel flusso di massa.

Principi simili si applicano per una cintura, un'interfaccia orizzontale trarrà dal carattere della fessura solo vedere fig 5a. Ciò che serve è un'uscita che aumenta di altezza a ca. 5 ° in modo che la larghezza della fessura abbia una conicità per dare una larghezza crescente nella direzione di avanzamento, creando una pila che si allarga e si alza progressivamente sulla cinghia nella direzione del flusso per supportare il flusso di massa, vedere la figura 5b.

Fig 5 a.) Interfaccia della cinghia errata

Fig 5 a) Interfaccia cinghia errata

Fig 5 b,) Interfaccia corretta della cinghia

Fig 5 b) Interfaccia corretta della cinghia

Inserti per silos di tecniche di retrofit

Un approccio comune che può essere utilizzato per correggere i problemi di scarico con un silo a flusso centrale sono gli inserti statici. Sorprendentemente, un'ostruzione interna all'interno del silo (di solito un cono invertito) se della dimensione corretta e nella giusta posizione può migliorare drasticamente le caratteristiche di scarico di un silo a flusso centrale verso qualcosa che si avvicina al flusso di massa.

Questa tecnica funziona modificando la forma del canale di flusso da un cono a un cuneo avvolto in un anello. Come mostrato in precedenza, il cuneo raggiunge un flusso di massa ad angoli significativamente più bassi ed è meno sensibile ai cambiamenti nell'inventario.

fig 6a

Fig 6 a.) Flusso centrale

fig 6b

Fig 6 b) inserto correttore di portata

In breve

Per progettare adeguatamente un silo per un flusso affidabile, è necessario conoscere il materiale. Se il materiale scorre liberamente e rimane sempre tale e la segregazione non è un problema, il flusso del nucleo può essere accettabile per il processo.

Tuttavia, se il materiale è coeso, dipendente dal tempo (soggetto alla cottura), fluidifica facilmente o altamente segregabile, è probabilmente necessario un modello di flusso di massa. Per ottenere un flusso di massa è necessario misurare le proprietà di flusso del materiale, il; attrito della parete, funzione di flusso, attrito interno, densità apparente e funzione di flusso temporale in modo da poter specificare le dimensioni di uscita critiche e l'angolo di convergenza per fornire un flusso affidabile.

Infine, ricorda che la geometria dell'interfaccia dell'alimentatore deve essere progettata correttamente per supportare il flusso di massa.

Process Industry Informer

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