Messung schüttgutspezifischer Eigenschaften Ermittlung spezifischer Eigenschaften sorgt für optimale Lagerung und Förderung

Das Handling von Schüttgütern, sei es das Lagern, Mischern, Fördern, Agglomerieren, Sieben oder Brechen ist fest an die Schüttguteigenschaften gebunden. Es ist schlicht nicht möglich, eine verfahrenstechnische Anlage zu errichten, ohne die verfahrenstechnischen Komponenten speziell auf das Schüttgut auszulegen. Die Messung schüttgutspezifischer Eigenschaften ist dabei besonders wichtig.

Der Transport von Schüttgütern erfolgt in der Regel mechanisch oder pneumatisch, vereinzelt hydraulisch. Erfordert der Schüttguttransport die Berücksichtigung eines komplizierten Förderverlaufs oder muss der Transport inert oder staubfrei erfolgen, so fällt die Wahl auf eine pneumatische Förderung. Da diese in der Regel wenig zur Wertschöpfung durch Veredelung oder Erzeugung eines Produktes beiträgt, wird in der Planungsphase oft zu wenig Wert auf die korrekte Auswahl des „besten“ Fördersystems gelegt. Bei nicht sachgerechter Auslegung können Anlagendurchsatz oder Produktqualität negativ beeinflusst werden. Für die Dimensionierung von Anlagen sind diverse Entscheidungskriterien zu beachten, wie:

• Investitions- und Betriebskosten

• Wartungsfreundlichkeit

• Bauhöhe

• Lärmschutzanforderung

System mit vielen Unbekannten

Es gibt also nicht die eine Anlage, die alle Kriterien erfüllt. Bei der Bauhöhe fallen oft Druckgefäßsysteme weg, bei den Betriebskosten ist die Schneckenpumpe oft im Nachteil, in puncto Wartungsfreundlichkeit haben wiederum Düsenförderersysteme oder Zellenradschleusen die Nase vorn. Dabei ist es nicht nur nötig, die Fördersysteme genau zu kennen, sondern auch das Fördern selbst muss detailliert betrachtet werden.

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Hinzu kommt: Es kommen täglich neue Schüttgüter, wie Lebensmittel und Lebensmittelzusätze im Bereich der veganen oder vegetarischen Ernährung auf den Markt. Auch in der Zementindustrie werden neue Schüttgüter eingesetzt, die den CO₂-Fußabdruck senken sollen. Allerdings sind viele Eigenschaften dieser Schüttgüter unbekannt. Schnell ist eine Schüttdichte bestimmt, aber wie verhält es sich mit den Eigenschaften für den pneumatischen Transport? Dort sind der Widerstandsbeiwert und die minimale Fördergasgeschwindigkeit von größtem Interesse, je nach Anwendung auch die Sedimentationsgeschwindigkeit oder die Strömungsform. Diese Kennwerte lassen sich nicht anhand von mechanischen Schüttgutanalysen im Labor bestimmen, sondern es sind pneumatische Förderversuche in einem Technikum nötig. Die Komplexität bei der Ermittlung wichtiger Kennwerte zeigt sich in den folgenden Beispielen.

Widerstandsbeiwert ändert sich mit dem Strömungszustand

Wird ein Schüttgut durch eine Förderleitung transportiert entsteht Reibung zwischen Schüttgut und Schüttgut sowie Schüttgut und Förderleitung. Diese Reibung hängt von vielen Eigenschaften des Schüttgutes und der Rohrleitung ab (Schüttgut: Sphärizität, Feuchtigkeit, Partikeldichte, Kornform, Oberflächenrauhigkeit, Korngrößenverteilung, Lufthaltevermögen u.v.m.; Rohrleitung: Rauhigkeit). Weiterhin hängt die Reibung vom Strömungszustand ab. Sprich, fliegt das Schüttgut in Form einer Flugförderung (alle Partikel befinden sich in der Flugphase und nahezu gleichmäßig über Rohrquerschnitt verteilt), Strähnenförderung (neben der Flugförderung gibt es fließende oder verharrende Schüttgutablagerungen auf dem Rohrboden) oder Dichtstromförderung (das Schüttgut strömt in Form von Dünen oder Pfropfen) durch die Rohrleitung? Mit jedem Strömungszustand geht ein anderer Widerstandbeiwert einher. Zusätzlich spielen die Beladung, die Strömungsgeschwindigkeit und der Rohrdurchmesser eine wesentliche Rolle.

Wo liegt die minimale Fördergeschwindigkeit?

Eine pneumatische Förderung sollte im besten Falle nicht verstopfen. Dieses tritt auf, wenn die Fördergasgeschwindigkeit zu gering ist. In Technikumsversuchen ist die sog. Stopfgrenze zu bestimmen, bei welcher Geschwindigkeit die Anlage vestopft. Diese steht im direkten Zusammenhang mit dem Druckverlustbeiwert und muss berücksichtigt werden. Wichtig zu wissen: Es gibt nicht die eine minimale Fördergasgeschwindigkeit. Sie steht in direkter Abhängigkeit der Beladung und des Rohrdurchmessers.

Sedimentationsgeschwindigkeit (Saltation Velocity) wichtig für die Pharmaindustrie

Je nach Prozessanforderung darf der pneumatische Transport teilweise nicht mit Ablagerungen verbunden sein. In der pharmazeutischen Industrie ist eine häufige Anforderung, dass der Transport als Flugförderung ausgeführt werden muss, um Produktrückstände oder Vermischungen zu vermeiden. So muss in Förderversuchen zunächst die Geschwindigkeit bestimmt werden, ab der es zu einem Produktausfall aus der Flugphase kommt.

Strömungsform im Blick

Die Strömungsform kann nur durch visuelle Beobachtung der Förderung bestimmt werden. Dafür werden i.d.R. Glas- oder Plexiglasrohrelemente in den Förderstrang eingebaut, anhand derer man die Strömungsform in der horizontalen oder vertikalen Förderleitung beobachten kann.

Die wenigen Beispiele zeigen, dass das Messen des Widerstandsbeiwertes, der minimalen Fördergeschwindigkeit oder auch der Sedimentationsgeschwindigkeit oder Strömungsform in einer Technikumsanlage von größtem Interesse bei der Auslegung pneumatischer Förderanlagen ist. Damit werden Über-, Unter- oder Fehldimensionierungen vermieden. Die Anlagen werden somit energetisch optimal und betriebssicher ausgelegt.

Wie verhält es sich bei der Silotechnik?

Rund um die Silotechnik sind die „Falschauslegungen“ noch viel häufiger anzutreffen als in der pneumatischen Förderung. Bei Schwedes + Schulze Schüttguttechnik hat man häufig mit Siloschäden oder nicht mehr funktionsfähigen Silos aufgrund großer verfestigter toter Bereiche im Silo zu tun. Auch hier gilt das Motto messen, messen, messen…

Die üblichen Siloprobleme sind:

• Kernfluss

• Brückenbildung / Zeitverfestigung

• Erschütterungen

• Entmischung

• Schießen

• Schachtbildung

• Exzentrisches Fließen

• Silobeulen

Wie können diese Probleme vermieden oder reduziert werden? Das erste Ziel ist immer Massenfluss. Ziel eines jeden Silos sollte die Vermeidung von Kernfluss und Brückenbildung sein. Dies wird sichergestellt, indem die Schüttgut-relevanten Parameter gemessen werden. Dazu wird der Fließort sowie der effektive Reibungswinkel, der lineare Reibungswinkel und der Reibungswinkel bei stationärem Fließen bestimmt. Mit einbezogen werden müssen aber auch die lastabhängige Schüttdichte, die Schüttgufestigkeit in Abhängigkeit der Vertikalspannung der Wandreibungswinkel zwischen Schüttgut und der Silowand sowie das Zeit-Fließverhalten.

Hier wird mit dem Ringschergerät nach Schulze (ASTM D6773) gemessen. Auf dessen Basis wird der Trichterneigungswinkels ermittelt, welcher wiederum entscheidend für den Massenfluss ist. Ausschließlich der Silotrichter im Zusammenspiel mit dem Schüttgut bestimmt, ob in einem Silo Massenfluss oder Kernfluss vorherrscht.

Wie verhält sich ein Silo bei langer Lagerzeit?

Wurde das Silo für Massenfluss ausgelegt, ist die Berechnung der maximal möglichen Brückenspannweiten (die ja nach Schüttgut mehrere Meter groß sein können) notwendig. Dafür muss vom Betreiber des Silos bestimmt werden, wie lange das Schüttgut in Ruhe, somit ohne Bewegung, gelagert wird. Das können wenige Stunden sein, jedoch auch mehrere Wochen. Für diesen Zeitraum wird im Labor die Probe unter Last gelagert. Die sich dann einstellenden Zeitverfestigungen werden anschließen gemessen.

Feine Schüttgüter neigen zum Großteil zu einer Zunahme der Schüttgutfestigkeit mit der Zeit. Das führt dazu, dass eine Bücke in einem Silo mit steigender Lagerzeit immer größere Spannweite erreichen kann. Somit kann der Siloaustragsdurchmesser, der nach eintägiger Lagerzeit in Ruhe noch ausreicht, bereits nach zwei Tagen zu klein sein. Auf Basis der Zeitverfestigungsmessungen lassen sich die maximalen Brückenspannweiten berechnen und die notwendigen Siloaustragsgrößen ermitteln. Danach sieht man auch, welche Austragsaggregate in Frage kommen, um einen sicheren Silobetrieb zu gewährleisten. Siloaustragsaggregate können Schieber, Zellenradschleusen oder Schnecken sein. Für schwer fließende Schüttgüter kommen jedoch unter Umständen Vibrationsböden, Räumarme, Schneckenboden, Räumschnecke oder Drehbalkenboden zum Einsatz.

Geht es dagegen um ein neues Silo oder wird ein Silo für ein anderes Schüttgut genutzt, sollten immer zunächst die Kennwerte nach DIN EN 1991-4 bestimmt werden. Dazu gehören der innere Reibungswinkel, das Horizontallastverhältnis, der Böschungswinkel, der Wandreibungsbeiwert und die lastabhängige Wichte. Erst auf Basis dieser Kennwerte lässt sich ein Silo optimal dimensionieren und einem sicheren Betrieb steht nichts mehr im Weg.