Kapitola IV. Tekutost materiálu ve skladovacích systémech

Úvod

Při manipulaci s volně loženými sypkými práškovými a zrnitými materiály se nevyhneme jejich shromažďování v silech či zásobnících. Při vyskladňování uvedených materiálů mohou nastat problémy s jejich výtokem, klenbováním či nalepováním na stěny skladovacích zařízení. Skladovaný materiál může tvořit buď klenby, nebo se usazovat či nalepovat na šikmých stěnách nebo tvořit středový tzv. tunel. Abychom zamezily těmto problémům, musíme pochopit vlastnosti a chování těchto materiálů.

4.1       Systém klasifikace a hodnocení tekutosti prášků

O jedno ze základních rozdělení mezi práškovou hmotou a fluidizačním plynem se výrazně zasloužil Geldart (1973) viz. obr. 4.1.Geldart zařazuje sypké materiály do čtyř skupin podle jejich velikosti a rozdílu měrných hmotností sypkého materiálu ρp (kg/m3) a fluidizačním plynemρg (kg/m3).Tato klasifikace je široce používaná ve všech oblastech zabývajících se práškovou technologií.

Rozdělení podle tříd:

C - jedná se o jemný a soudržný prášek (kohezivní) prášek, který jde obtížně provzdušnit,

A - jemné, relativně jednoduše provzdušnitelné částice,

B - velmi dobře provzdušnitelné částice podobající se zrnkům písku,

D – tato třída vyžaduje pro provzdušnění vysokou rychlost plynu.

4.2       Fluidizace prášků

Při prostupu plynu přes porózní lůžko, které je naplněné sypkou hmotou, dochází celkem k šesti známým sledovaným režimům chování sypké hmoty (obr. 4.1). Tyto režimy jsou zcela závislé na třech faktorech: na rozměrech fluidizačního lůžka, vlastnostech sypké hmoty a rychlosti proudění fluidizačního plynu. Jak je často popisováno v literatuře pro klasické gravitační fluidizační lůžko [1], při zvyšování proudění plynu, stav sypké hmoty v lůžku prochází třemi nejzákladnějšími režimy fluidizace (viz. obr. č. 4.2 b-d – Grace 1986).

4.2.1        Fluidizace v gravitačním fluidizačním lůžku

Tento typ fluidizace patří mezi nejstarší způsoby fluidizace. Při této fluidizaci je charakteristická minimální fluidizační rychlost Umf, při které začíná proces fluidizace sypké hmoty a následné tvoření bublin. Matematické vyjádření předpokládá rovnováhu gravitačních sil jednotlivých částic s měrnou hustotou rp a vztlakových sil způsobených fluidizačním médiem o hustotě rg a viskozitě m. Za předpokladu konstantní porózity emf při minimální fluidizační rychlosti, je Umf možné vyjádřit z kvadratické rovnice:

4.2.2        Fluidizace v rotačním fluidizačním lůžku

V rotačním fluidizačním lůžku na rozdíl od klasického gravitačního fluidizačního lůžka dochází k fluidizaci částic ve vrstvách postupně (obr.4.4– Huang 2009), takže od zvětšujícího se poloměru otáčení klesá tlaková ztráta (pokles) [3].

4.3       Studie a nejnovější výzkum při zlepšování tekutosti v dopravních systémech

Pro umožnění či usnadnění výtoku sypkých materiálů ze zásobních sil a provozních zásobníků se používají různé druhy uvolňovacích systémů. Ty jsou mechanické, akustické či pneumatické [4] .

4.3.1        Mechanické a akustické uvolňovací systémy

 Mechanické uvolňovací systémy (vibrační dna, příložné vibrátory elektrické či pneumatické, pneumatická kladiva) využívají mechanickou energii k vytvoření rázů či vibrací, které se z konstrukce skladovacího zařízení přenášejí do sypkého materiálu. Mají často opačný efekt – nejen, že materiál neuvolní a neusnadní jeho výtok, ale mohou jej i upěchovat ve výsypce a výtokovém hrdle a tím zcela znemožnit jeho výtok. Akustické uvolňovací systémy jsou širokopásmové zdroje zvuku o nízké frekvenci f (obvykle 60 - 300 Hz) a velkém akustickém tlaku Lp (137 - 147 dB v referenčním místě r = 1 m). Zvuk generovaný zdrojem je přenášen do zařízení, ve kterém požadujeme uvolnit materiál. Většina energie akustického tlaku zůstává v prostoru usazeného materiálu a působením na částice vzduchu dochází k jejich rozkmitání a následně k uvolnění usazených prachových částic v prostoru. Na frekvenci první harmonické složky se zvuk vyzařuje do prostoru téměř rovnoměrně do všech směrů. Je to dáno tím, že ústí zvukovodu má poměrně malý průměr a na nízkých frekvencích je splněna podmínka d << l („d“ je průměr ústí zvukovodu a „l“ je vlnová délka zvuku). S rostoucí vzdáleností od ústí zvukovodu hladina akustického tlaku Lp výrazně klesá.

4.4       Pneumatické uvolňovací systémy

V této části se budeme podrobněji zabývat pneumatickými uvolňovacími prvky a systémy. Ty lze rozdělit na lokální a plošné. K lokálním provzdušňovacím prvkům přiřazujeme provzdušňovací jehly, vzduchová děla a pulzní trysky. Plošné prvky jsou buď fluidní dna menších rozměrů, nebo provzdušňovací skříně sestavované do systémů provzdušňovacích zařízení. Plošné provzdušňovací prvky fluidizují materiál v ploše.

Lokální provzdušňovací systémy

Lokální provzdušňovací prvky přivádějí tlakový vzduch do provzdušňovaného materiálu v jednom prostorově omezeném místě. Nemohou tedy, a to ani při použití jejich soustav, zfluidizovat materiál v celém jeho objemu. Proto jsou vhodné zejména pro uvolňování výtoku materiálu z násypek, provozních zásobníků a sil menších rozměrů v případech časté obrátky materiálu a malého vrcholového úhlu výsypky.

Provzdušňovací jehly (obr. 4.5) a tyče přivádějí vzduch do sypkého materiálu bodově (rozměr jehly je řádově menší, než rozměr zásobníku či jeho výpadu) nebo lineárně. Přívod vzduchu je trvalý po celou dobu výtoku materiálu. Dosah proudu vzduchu je velice krátký, proto se provzdušňovací jehly montují do blízkosti výstupních hrdel a tyče nejčastěji do rohů hranatých zásobníků či výsypek filtrů. Provzdušňovací jehly využívají tlakový vzduch o přetlaku 0,05 – 0,6 MPa. Doporučuje se omezit přívod vzduchu Lavalovou dýzou.

Vzduchová děla (obr. 4.6) přivádějí nárazově velký objem vzduchu do uskladněného materiálu. K tomu využívají vzdušník a pulsní ventil spojený s fluidizačním tělem hadicí nebo potrubím (nejčastěji jeden vzdušník pro jedno tělo nebo společný pro 2 – 4 těla). Proud vzduchu se šíří kulovitě materiálem a jeho dosah je delší, něž u provzdušňovacích jehel. Délka pulsu je nastavitelná a bývá v řádu od několika desetin sekundy až po několik sekund. Vzduchová děla využívají tlakový vzduch o přetlaku 0,4 – 0,6 MPa.

Pulzní trysky (obr. 4.7) jsou poměrně malá zařízení, která přivádějí do skladovaného materiálu vzduchový puls po velice  krátkou dobu. Vyrábějí se v různých provedeních – jako pryžový kotouč, kovový ventil či ventil s pryžovou membránou. K vytvoření vzduchového pulzu slouží pulzní ventil namontovaný přímo na trysce. Výtok vzduchu bývá usměrněn tak, že je materiál fluidizován v radiální vrstvě rovnoběžné se stěnou výsypky. Dosah proudu vzduchu z trysek závisí na přetlaku stlačeného vzduchu a na vlastnostech materiálu a může dosahovat do vzdálenosti 1000 až 1250 mm od trysky. Délka pulsu je nastavitelná a bývá v řádu desítek milisekund. Pulzní trysky využívají tlakový vzduch o přetlaku 0,3 – 0,6 MPa, který by měl být, zvláště pro venkovní instalace, sušený, a to až na rosný bod –40°C. Spotřeba tlakového vzduchu bývá podle periody pulzace v řádu 10-2 až 100 Nm3/h.

Plošné provzdušňovací prvky fluidizují materiál v ploše. Hlavním funkčním členem provzdušňovacího prvku je provzdušňovací tkanina. Ta se používá v tloušťkách 4 – 8 mm s měrným odporem 2500 až 16000 Pa. Provzdušňovací tkaniny se vyrábí z přírodních nebo syntetických vláken z materiálů podle teplotní odolnosti – viz tabulka:

Proud vzduchu se prostupem póry v provzdušňovací tkanině rozptýlí do plochy a vstoupí do práškového materiálu, čímž sníží jeho vnitřní tření a materiál se uvede do fluidního stavu a získá vlastnosti blížící se tekutině.

Zvláště v sestavách více kusů obsáhnou provzdušňovací prvky celý průřez dna sila či zásobníku a provzdušní materiál v celém jeho objemu. Proto jsou vhodné pro sila s větším vrcholovým úhlem výsypky nebo s plochým dnem a pro sila větších průměrů – od 4000 mm výše. Plošné provzdušnění je také vhodné tam, kde je třeba vyvinout dostatečný a stálý hydrostatický tlak materiálu. Ten bývá potřebný pro rovnoměrný výtok či dávkování skladovaného materiálu do návazných technologických procesů nebo pro navazující pneumatickou dopravu průtokovým podavačem.

Pro plošné provzdušnění materiálu v zásobnících menších rozměrů se používají fluidizační dna. Ta jsou buď plochá nebo kuželová a provzdušňovací vzduch se v nich přivádí pod provzdušňovací přepážku ve tvaru kruhové desky nebo kužele. Základním prvkem provzdušňovacích zařízení je provzdušňovací skříň (obr. 4.8). To je nejčastěji těleso z ocelového plechu, do jehož horní strany je osazena provzdušňovací tkanina. Tkanina je těsně upevněna tak, aby veškerý vzduch ze skříně odcházel přes provzdušňovací přepážku. Případné netěsnosti mohou vést k omezení či ztrátě funkce provzdušňovací skříně a také ke značné abrazi dna sila.

Provzdušňovací vzduch je do provzdušňovací skříně přiveden buď zdola nebo z boku nátrubkem a přípojkou. V té by měla být vždy osazena omezovací Lavalova dýza. Jejím použitím se jednak přivede do skříně přesně stanovené množství  vzduchu bez ohledu na její zasypání skladovaným materiálem a výšku vrstvy materiálu nad skříní. Při použití sestavy více skříní se Lavalovými dýzami zajistí funkce provzdušňovacího zařízení i při poškození jedné nebo více skříní v systému.

Pro provzdušňování sil a zásobníků se provzdušňovací skříně osazují do jejich den. Rozložení skříní se nejčastěji volí radiální (obr. 4.9), je však možné i jiné rozložení v závislosti na tvaru a konstrukci dna sila. Sklon dna sila či zásobníku může být od plochého dna (z důvodů dostatečného vyprázdnění bývá sklon dna minimálně 8° od horizontály) až po kuželové s vrcholovým úhlem do 60°.

Pro zajištění správné funkce provzdušňovacího zařízení a tím úplného vyprázdnění prostoru sila je zapotřebí dostatečně „hustého“ vyložení dna sila provzdušňovacími skříněmi. Běžně se poměr provzdušňované k celkové ploše dna sila pohybuje v rozmezí 20 – 30%. Při tom je možno garantovat vyprázdnění sila na více, než 97%. Přesný stupeň vyprázdnění závisí nejen na projekčním řešení provzdušňovacího zařízení, ale také na objemu a tvaru zásobního sila. Pro zvýšení ekonomie provozu a snížení spotřeby provzdušňovacího vzduchu se provzdušňovací zařízení funkčně rozdělují na sekce, která se pravidelně cyklicky střídají v činnosti. V silech malých průměrů bývají sekce 3 – 4, pro sila s průměrem kolem 20 m se navrhuje sekcí 16 až 20.

Jako zdroj provzdušňovacího vzduchu se často používají Rootsova dmychala s výtlačným tlakem 50 – 80 kPa(g). Pokud je k dispozici tlakovzdušná síť, používá se tlakový vzduch s tlakem do 200 kPa(g). V tom případě se musí zajistit jeho dokonalé odvodnění a při provzdušňování hygroskopických materiálů i sušení. Použití provzdušňovacího vzduchu obr. 4.8., Provzdušňovací zařízení radiální obr. 4.9, Provzdušňovací zařízení atypické s vyšším přetlakem je možné, vzhledem k reálně dosažitelnému tlaku vysoké fluidní vrstvy materiálu v silech je však zbytečné a zatěžuje zařízení vysokou spotřebou energie. Provzdušňovacím zařízením je do skladovacího zařízení přiveden vzduch v množství 101 až 102 Nm3/h. O tuto hodnotu je třeba zvýšit kapacitu odprašovacího zařízení sila či zásobníku.

Závěr

Zajištění plynulého výtoku materiálu ze sil a zásobníků s pomocí správně navržených technických zařízení je velice důležité. Plynulý výtok s požadovanou výkonností bývá potřebný pro navazující technologická zařízení, správně zvolené provzdušňovací zařízení navíc zajistí řádné vyprázdnění skladovacího zařízení a výrazně omezí zbytky materiálu v něm.

Při nedostatečném provzdušňování materiálu v celém jeho objemu dochází při vyšších vykládacích výkonnostech k jeho klenbování. Proboření klenby může pak způsobit „pístový“ efekt, kdy se propadne sloupec neprovzdušněného materiálu v celém průřezu sila a vyvolá prudký pokles tlaku nad hladinou materiálu. To může vést až k destrukci sila a to i přes jeho zajištění uvolňovacím zařízením. To nemůže zajistit přisátí dostatečného množství vzduchu do sila pro vyrovnání tlaků. Ve skladovací technice mají své místo jak lokální provzdušňovací systémy (jehly a trysky), tak provzdušňovací zařízení. Lokální systémy jsou vhodné pro menší zásobníky s vysokou obrátkou materiálu. Pro skladovací a expediční sila větších rozměrů a při požadavku na dokonalé vyprázdnění skladovacího prostoru jsou vhodná plošná. Silo zničené probořením klenby provzdušňovací zařízení. Ta mají navíc výhodu podstatně delší životnosti a odolnosti proti opotřebení dopravovaným materiálem.

Reference

[1] Pfeffer, R., Dave, N., R., Wei, D., Ramlakhan, M.: Synthesis of engineered particulates with tailored properties using dry particle coating, Powder Technology 117, 2001.

[2] Dave, N., R., Wu, Ch., Y., Chadhuri, B., Watano, S.: Magnetically mediated flow enhancement for controlled powder discharge of cohesive powders, Powder Technology 112, 2000.

[3] Kao, J., Pfeffer, R., Tardos, G., I: On Partial Fluidization in Rotating Fluidized Beds, AIChE, 1986.

[4]  Rayman, R., RAYMAN spol. s r.o. Kladno

[5] Grace, J. R. Contacting modes and behaviour classification of gas-solid and other two-phase suspensions. Can. J. Chem. Eng. 64, 353-363, 1986.

[6] Huang, Q.,et al.,Onset of an innovative gasless fluidized bed —komparative study on the  fluidization of fine powders in a rotating drum and a traditional fluidized bed. ChemicalEngineeringScience(2009),

There are currently no posts in this category.