CH619903A5 - Method for metering the unloading of adherent powdery products from a silo or hopper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In der Praxis hat es sich herausgestellt, dass beim gesteuerten Dosieren von kohäsivem pulverförmigem Gut aus einem Silo oder Bunker erhebliche Schwierigkeiten auftreten, da die Schwerkraft des Gutes allein zum Entleeren des Silos oder Bunkers nicht ausreicht, so dass eine Hilfseinrichtung dazu erforderlich ist. Auf dem Markt sind unterschiedliche Systeme zum Entladen von kohäsivem pulverförmigem Gut aus Silos oder dergleichen bekannt. Aus der unterschiedlichen Art solcher Systeme geht hervor, dass sich diese im allgemeinen jeweils nur für ein bestimmtes pulverförmiges Gut oder eine bestimmte Kombination von pulverförmigem Gut und Silo eignen und selbst dann sich auch nur mit stark wechselndem Erfolg anwenden lassen.

Zudem haftet diesen bekannten Systemen auch noch ein allgemeiner Nachteil an, indem sie nur auf die Aktivierung der Strömung unmittelbar um die Entladeöffnung herum gerichtet sind. Namentlich jedoch für verderbliche Güter oder Materialien, z.B. Vollmilchpulver, ist es wesentlich, dass während des Entzugs dieser Materialien aus dem Bunker oder Silo die ganze, in diesem vorhandene Pulvermasse aktiviert ist, anders gesagt, jede Volumeneinheit des Materials dieselbe durchschnittliche Verweilzeit hat. Das bedeutet, dass sich keine toten Winkel bilden, in denen das pulverförmige Material verderben könnte. Um bei den gängigen Entladesystemen das Silo vollständig zu aktivieren und entleeren zu können, muss es dann mit einem meistens steilen Auslauftrichter versehen werden, wodurch der verfügbare Lagerraum kleiner und die Gefahr der Brückenbildung vergrössert wird.

Zu den bekannten Entladesystemen zum Löschen kohäsi-ver Pulver aus Silos lassen sich u.a. mechanische Systeme rechnen, die von Förderbändern, Förderschnecken und Rührwerken (zB. der Nauta-Mischer, mit dem das Produkt aus dem Silo gefördert werden kann und der Siloinhalt ausserdem lockergehalten werden kann) zu Schabern und Ketten variieren. Mechanische Systeme haben als allgemeinen Nachteil, dass ihre Wartung ziemlich teuer ist, während der Massenstrom meistens nicht oder beschränkt regelbar ist. Um Brük-kenbildung im Ausströmkonus zu vermeiden, werden manchmal aufblasbare Kissen in der Wand vorgesehen, die man pulsieren lassen kann. So wird u.a. eine Gummimembran durch einen kontinuierlichen Luftstrom in Bewegung gehalten, wobei die Luft gleichzeitig eine Porositätserhöhung herbeiführt; auch findet manchmal gelegentliche Belüftung statt, z.B. durch eine sog. Luftkanone, wobei eine gebildete Brücke durch Luft-stösse, die in das Pulver gerichtet werden, aufgebrochen wird.

Eine besonders wichtige Kategorie der Hilfsmittel umfasst Vibratoren. Die Ausströmung kann dadurch gefördert werden, 5 dass das Pulver an der Silowand oder auf dem Siloboden im Bereich um die Öffnung herum in Schwingung versetzt wird. So wird u.a. ein relativ zum übrigen Bunker beweglich aufgehängter Boden oder Ausströmkonus durch einen Vibrator oder Unwuchtmotor in Schwingung versetzt, um Brücken- und io Gangbildungen («rat-holing») zu vermeiden. Oft werden «Bunkerklopfer» und Vibratoren, unter denen Ultraschall-, an der Wand oder auf dem Boden des Silos (oft des Konus) befestigt, u.a. um die Wandreibung zu verringern.

Weiter zeigt es sich in einigen Fällen, dass die Ausströ-15 mung geregelt werden kann mit Hilfe eines zum Schwingen angeregten kegeligen Körpers oder eines zum Schwingen angeregten Lamellengitters, das unmittelbar über bzw. in der Ausströmöffnung angeordnet ist. Der Energieverbrauch und die Kosten der dabei angewendeten Vibratoren können 2o manchmal erheblich sein.

Die Anwendung von Schwingungen kann zweckwidrig wirken, wenn der Siloinhalt dadurch konsolidiert oder kom-paktiert wird. So veranlasst eine Verringerung der Wandreibung einen höheren Konsolidationsdruck im unteren Teil des 25 Silos, wodurch das Schüttgut ebenfalls zusätzlich verdichtet wird. Durch die Zunahme der Kräfte zwischen den Teilchen, die davon die Folge sind, kann die Ausströmung gerade erschwert werden. Es wird denn auch davor gewarnt, Silos Schwingungen zu unterwerfen, weil dessen pulverförmiger In-30 halt sich verdichten kann (E.E.UA.-Handbook, 1963, Nr. 15, Seiten 11-93, vor allem Seite 93). Die Verdichtungsgefahr wird verständlicherweise zunehmen, je nachdem man mit kohäsivem Material zu tun hat.

Ein in der Praxis bei nicht und leicht kohäsiven Pulvern 35 zum Entleeren öfters angewendetes Verfahren ist das sog. pneumatische Entleeren, bei dem das Material im Silo, meistens nur an der Wand oder auf dem Boden um die Ausströmöffnung herum, belüftet wird, damit es lokal in einen mehr oder weniger homogen fluidisierten Zustand gerät. 40 Die Stelle, wo und die Weise, wie die Luft eingeblasen wird, kann stark verschieden sein. In einigen Fällen wird auch während der Lagerung, wenn keine Ausströmung erfolgt, Luft in das Silo eingeblasen, mit dem alleinigen Zweck, das Schüttgut lockerzuhalten und Konsolidierung im unteren Siloteil zu 45 vermeiden. Der Massendurchfluss ist im allgemeinen gut regelbar mit der Gasmenge, die über Belüftungseinheiten im unteren Siloteil zugeführt wird. Bei diesem Verfahren würde das Pulver um die Ausströmöffnung herum eine mehr oder weniger konstante Massendichte aufweisen, die für nicht-kohäsive so Substanzen ungefähr gleich der Massendichte bei Minimum-Fluidisierung wäre. Dies kommt der Gleichmässigkeit der A usströmung zugute.

Die Möglichkeiten, schlechtströmende, kohäsive Pulver pneumatisch aus Bunkern oder Silos zu entleeren, sind bisher 55 jedoch beschränkt geblieben. Es ist allgemein bekannt, dass zu einer guten pneumatischen Entleerung das betreffende Pulver ziemlich leicht fluidisierbar sein muss (E.E.UA. -Handbook, 1963, Nr. 15, Seiten 11-93, vor allem Seite 15). Das Verfahren hat sich deshalb als ungeeignet für stark kohäsives Material er-60 wiesen, weil die Kohäsionskräfte zwischen den Teilchen dann derart gross sind, dass dadurch Fluidisierung des Materials verhindert wird. Durch Modulation der Luft mit Schallwellen (300-400 Hz; vgl. z.B. S. Medcraft, chemical and process engineering, April 1971, «Sonic activation of powders»), bevor 65 diese in das Pulver eingeblasen wird, können die Strömungseigenschaften verbessert werden. In einigen Fällen ist das pneumatische Verfahren damit für kohäsives Material geeignet.

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Es ist ferner bekannt, dass in Reaktoren die Fluidisierungs-eigenschaften eines pulverförmigen Gutes grundsätzlich mit Hilfe mechanischer Schwingungen verbessert werden können, in welchen Fällen jedoch die ganze Kolonne in Schwingung versetzt wird. Die Probleme, die dann bei grösseren Abmessungen entstehen, haben einer allgemeinen praktischen Anwendung im Wege gestanden.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass sogar sehr kohäsives pulverförmiges Gut, wie feuchtes Vollmilchpulver, welches nur durch Belüftung oder Vibrieren nicht oder nicht genügend regelbar einem Silo oder Bunker entnommen werden kann, trotzdem mit gut regelbarem Massendurchfluss in völlig aktiviertem Zustand aus dem Silo dosiert werden kann, und zwar dadurch, dass solche Pulver in näher anzugebender Weise gleichzeitig belüftet und vibriert werden.

Erfindungsgemäss wurde ein Verfahren entwickelt, das durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gekennzeichnet ist.

Durch Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens, wobei man eine Kombination von Belüften und Vibrieren anwendet, wird die Ausströmbarkeit schwerströmender Pulver erheblich verbessert, und zwar dadurch, dass es sich als möglich erwiesen hat, kohäsives pulverförmiges Gut mit konstantem und einstellbarem Massendurchfluss einem Bunker oder Silo zu entnehmen. Die Fluidisierungseigenschaften des Gutes auf dem Boden des Bunkers oder Silos werden erfindungsgemäss stark verbessert, so dass das Gut dort «flüssigkeitsähnliche Eigenschaften» annimmt.

Wesentlich bei dem erfindungsgemässen Verfahren ist es, dass das kombinierte Belüften und Vibrieren an räumlich nahezu nicht getrennten Stellen durchgeführt wird. Von ausschlaggebender Bedeutung dabei ist, dass die sich durch das Pulver fortpflanzenden Schwingungen die Stelle erreichen können, wo belüftet wird. Dieser Abstand wird selbstverständlich durch die Art des jeweiligen pulverförmigen Gutes mitbestimmt und beispielsweise bei Vollmilchpulver nicht mehr als etwa einige Zentimeter betragen. Bevorzugt wird man das mit dem pulverförmigen Gut in Berührung befindliche Belüftungselement vibrieren lassen.

Der Massenstrom ist mit der Menge der im unteren Siloteil zugeführten Luft und in beschränkterem Masse mit der Schwingungsintensität regelbar. Sobald entweder die Luftzufuhr oder die Vibration beendet wird, hört die Ausströmung auf. Bei stark kohäsiven Feststoffen, wie Vollmilchpulver, erfolgt dies nahezu sofort. In anderen Fällen, z.B. bei Kartoffelmehl, wird das Gut noch einige Zeit weiterströmen.

In der Praxis stellt es sich heraus, dass bei dem erfindungsgemässen Verfahren ein Silo immer leicht und nahezu völlig entleert werden kann, während der Siloinhalt völlig aktiviert wird («mass flow»). Bei weniger kohäsiven Pulvern, die auch mit Luft allein dem Silo entnommen werden können, zeigt es sich, dass die Beladung der Anwendung von Schwingungen unter Beibehaltung der Regelbarkeit vergrössert werden kann.

Nebenvorteile des erfindungsgemässen Verfahrens sind eine geringere Gefahr der Brückenbildung und «rat-holing», eine konstantere Massen- und Volumendosierung und die Ver-meidung von Klumpenbildung. Letzteres kann besonders bei Dosierung in Verpackungsmaterial und Reaktorgefassen von Belang sein.

Die Erfindung wird anhand der nachstehenden Beispiele näher erläutert.

Beispiel I

Es wurde in bezug auf die Dosierbarkeit aus einem Silo ein Versuch mit sprühgetrocknetem Vollmilchpulver durchgeführt, dessen Feuchtigkeitsgehalt 3% und Fettgehalt 26% betrug.

Der Versuch wurde unter Anwendung der in Fig. 1 schematisch wiedergegebenen Apparatur durchgeführt.

In Fig. 1 ist 1 ein Vorratsbunker für das pulverförmige Material - in diesem Beispiel das obenerwähnte Vollmilchpulver 5 -, versehen mit einem Staubfanger 2 und einem Pressluftan-schluss 3.

Mit 4 ist ein Silo bezeichnet, bestehend aus einem aus Per-spex hergestellten zylinderförmigen Rohr (L = 1,3 m, D = 0,14 m), versehen mit einem Boden 6 aus einer durchlässigen io Poral-Platte aus rostfreiem Stahl, in welcher Platte eine Öffnung 7 (Fig. 2) angeordnet ist (D = 7 mm). Mit 5 ist das pulverförmige Material angegeben.

In Fig. 2 ist das Silo schematisch im Schnitt wiedergegeben. Bei der in Fig. 2 wiedergegebenen Konstruktion wurde 15 die Gasverteilplatte 6 selbst vertikal in Schwingung versetzt. Das Ausströmrohr 8 ist in flexibler Weise durch den Luftein-Iassraum 9 gefuhrt und ausser einem Auffangbehälter 10 und einer Wiegefläche 11 herum mit einem Schwingtisch eines elektromagnetischen Schwingungserzeugers 26 verbunden. 2o Die Verteilplatte 6 konnte hierdurch mit variierender Frequenz und Amplitude in Schwingungen versetzt werden. Die Platte 6 ist flexibel mit der Silowand verbunden durch Verleimung mit einem Streifen 12 aus Neoprenkautschuk, der seinerseits zwischen den Flanschen 13 der Silowand geklemmt 25 ist. Das Silo 4 war möglichst starr und schwingungsfrei aufgehängt. Der Durchmesser des Ausströmrohres 8 (D = 20 mm) war erheblich grösser gewählt als der Durchmesser der Ausströmöffnung 7, damit der Druckabfall über das Rohr geringbleiben würde. Es wurde mit einem abgeschlossenen Silo bei 3o veränderter Betthöhe gemessen. Nach jedem Versuch wurde die Kolonne wieder nachgefüllt. Die Luft wurde über einen Kugelhahn 20, ein Luftfilter 21, einen Druckregler 22, ein Nadelventil 23 und, nachdem derDurchfluss mit einem Rota-meter 24 gemessen worden war, teilweise unten in die Kolon-35 ne eingeführt und mittels des feinen Poral-Filters 6 einheitlich über den Kolonnenquerschnitt verteilt. Um zu vermeiden,

dass während der Ausströmung des Pulvers der Luftdruck oben in der Kolonne abfallen und das Bett infolge des entstandenen Druckabfalls dazu neigen würde, in der Kolonne 40 hängenzubleiben, wurde ein Teil der Luft von oben über die Druckausgleichsleitung 14 eingeführt. Der Druck oberhalb des Bettes war dabei gleich dem Druck unter dem Filter und wurde mit Hilfe eines wassergefüllten Monometers 25 gemessen. Die Luft verliess die Kolonne ausschliesslich durch die Aus-45 Strömöffnung 7. Der Massenstrom des Pulvers wurde mit der elektronischen Wiegeplatte 11, angeschlossen an die Speiseeinheit 32 und versehen mit der Nulleinstellvorrichtung 30, gemessen. Die Menge des ausgeströmten Pulvers konnte je nach Bedarf aufgeschrieben oder registriert werden. Die so Schwingungen wurden mit einem piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmer 38 analysiert. Das Signal wurde verstärkt und danach gegebenenfalls ein- bis zweimal in einer Vibrationsverstärker-Integratoreinheit 34 integriert und anschliessend über ein F ilter 35 einem Röhrenvoltmeter und einem 55 Oszilloskop zugeführt. Mit 33 ist eine Speiseeinheit dargestellt.

Unter Anwendung der oben beschriebenen Vorrichtung erfolgten die Messungen des Massendurchflusses immer unter solchen Bedingungen in bezug auf die Intensität, bei der Belüftung und Vibration kombiniert angewendet wurden, dass 6o von einer praktisch gleichmässigen Ausströmung des Vollmilchpulvers die Rede war. Der Massendurchfluss selbst konnte dann ziemlich genau aus der Steilheit der auf dem Papier des Recorders 31 gefundenen Geraden bestimmt werden.

Bei diesem Versuch wurde die Geschwindigkeit, mit der 65 das Modellsilo leerströmte, als Funktion der Gesamtmenge in der Kolonne zugefiihrter Luft geprüft. Die Frequenz der mit einem RC-Generator 29 erzeugten Schwingungen, die über einen Verstärker 28 und ein Amperemeter 27 dem Schwin

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gungserzeuger 26 zugeführt wurden, wurde zwischen 30 Hz und 100 Hz variiert und die Schwingungsamplitude wurde mit der Eingangsstromstärke des Schwingungserzeugers geregelt. Die Eingangsspannung betrug 25 V. Ohne Pulver in der Kolonne schwang die Filterplatte sinusförmig. Bei einer Pulver enthaltenden Kolonne war die Schwingung komplex. Sobald das Pulver durch die Platte angestossen wurde, waren dem Grundton Komponenten höherer Frequenz überlagert, die das Strömungsverhalten beeinflussten. Die Schwingungen erwiesen sich als wirksamer, je grösser die Abweichung von der Sinusform war.

Die Messungen ergaben, dass im ganzen geprüften Frequenzbereich dann ein gleichmässiges und regelbares Ausströmen erzielt werden konnte, wenn die Amplitude der Schwingung gross genug gewählt wurde.

In Fig. 4 ist längs der vertikalen Achse der Massendurchfluss des Pulvers in kg/min gegen den Luftdurchfluss in 1 /min aufgetragen. Aus Fig. 4 geht hervor, dass der Massendurchfluss des Pulvers gleichmässig mit dem gesamten Luftdurchfluss zunimmt. Die Regelbarkeit mit der Generatorfrequenz und -amplitude ist viel beschränkter. Zwar nimmt der Massendurchfluss bei der Herabsetzung der Vibrationsbeschleunigung ab, die Ausströmung wird jedoch ungleichmässig. Die damit korrespondierenden Punkte, die erheblich unterhalb der gezogenen Kurve liegen können, konnten nicht zuverlässig genug bestimmt werden und sind deshalb nicht in Fig. 4 aufgenommen.

Die erste Messreihe ergab, dass eine gleichmässige und gut regelbare Ausströmung über den ganzen Bereich angewendeter Luftdurchflüsse herbeigeführt werden konnte, wenn die günstige Generatorfrequenz gewählt wird, nämlich zwischen 60 Hz und 80 Hz, und ausserdem die Eingangsstromstärke des Schwingungserzeugers mindestens 1 Ampere betrug. Die durch das Röhrenvoltmeter gemessenen «overall»-Niveaus des Spitzenwertes und des Durchschnittswertes der Vibrationsbeschleunigung waren dann im Durchschnitt 9 g bzw. 5 g. Beide unterlagen in ziemlich hohem Masse Schwankungen. Die zugehörige Amplitude der Schwingung war kleiner als 0,5 mm und die dem Vibrator zugeführte Leistung betrug etwa 20 W. Bei einem Luftdurchfluss von 3 ms/Stunde strömten pro Stunde etwa 0,5 Tonnen Pulver aus dem Silo (Durchmesseröffnung 7 mm).

Bei den Frequenzen unter 40 Hz war die Ausströmung un-gleichmässiger und das Schüttgut neigte dazu, sich festzusetzen.

Beispiel II

Abweichend von Beispiel I, bei dem die Stellen der Belüftung und Vibration zusammenfielen, wurde bei dem in diesem Beispiel beschriebenen Versuch mit einem Vibrator gearbeitet, bei dem die Stellen der Belüftung und Vibration nicht zusammenfielen. Der Vibratorteil der bei diesem Versuch angewendeten Vorrichtung ist in Fig. 3 wiedergegeben. Dabei ist die Verteilplatte 6 festgesetzt und der Durchmesser der Ausströmöffnung 7 bis 12 mm vergrössert. Unmittelbar über der Filter-platte ist ein kreuzförmiges Organ 15 angeordnet, das zwei ineinander eingreifende Vierkantrohre 16 umfasst. Das Organ 15 wurde von unten angetrieben mittels eines durch das Aus-strömrohr 8 geführten Schwingstiftes 17, der mit dem Vibrator verbunden war und dessen Innendurchmesser 6 mm betrug.

Es stellte sich heraus, dass nur in dem Fall, dass das Kreuz weniger als einige Zentimeter über der Gasverteilplatte angeordnet wurde, das Silo entleert werden konnte. Der Versuch wurde bei einer Generatorfrequenz von 167 Hz durchgeführt, bei der das Schwingsystem in Resonanz geriet. Die Geschwindigkeit, mit der das Silo leerströmte, nahm auch nun gleichmässig mit der Gesamtmenge in die Kolonne eingeführter Luft zu (Fig. 5). Bei den angewendeten Vibrationsbeschleunigungen fand unter einem Luftdurchfluss von 5 1/min kein gleichmässiges Ausströmen statt. Bei höheren Luftdurchflüssen war die benötigte Eingangsstromstärke des Vibrators immer kleiner als 1 Ampere. Die von dem Vibrator aufgenommene Leistung lag zwischen 10 und 20 W. Der gemessene Spitzenwert der Vibrationsbeschleunigung war maximal 100 g; dies ist wesentlich höher als bei der angetriebenen Platte. Die Schwingungsamplitude war immer kleiner als 1 mm.

Beispiel III

Mit der im Beispiel I besprochenen Apparatur wurden für Vergleichszwecke noch einige orientierende Messungen durchgeführt, wobei ausschliesslich belüftet wurde. Die Messungen wurden durchgeführt an dem bereits genannten sprühgetrockneten Vollmilchpulver (Feuchtigkeitsgehalt 3%, Fettgehalt 26%), Kartoffelmehl (Feuchtigkeitsgehalt 18%) sowie Kaolin und p-Toluolsulfonamid.

Es ergab sich, dass die drei letztgenannten kohäsiven Pulver in leicht konsolidiertem Zustand noch mit Luft allein im Silo entzogen werden konnten. Bei dem sehr kohäsiven Milchpulver gelang dies überhaupt nicht.

Im Rahmen des erfindungsgemässen Verfahrens sind noch viele Ausführungsformen möglich, bei denen das Prinzip, das kohäsive pulverförmige Material lokal gleichzeitig an nahezu nicht getrennten Stellen zu belüften und zu vibrieren, verwirklicht werden kann. Beispielsweise kann man an ein System denken, bei dem mit zum Schwingen angeregten Belüftungseinheiten, in Form z.B. eines Systems aus porösen Rohren,

Luft (unten) in das Silo eingeblasen wird und mit dem ausserdem an derselben Stelle das Produkt in Schwingung versetzt wird. Dadurch, dass man gegebenenfalls ein oder einige Rohre rotieren lässt, kann auch, wenn kein Auslauftrichter angebaut ist, der ganze Siloinhalt aktiviert werden. Auch kann die benötigte Schwingapparatur in beschränktem Aufwand gehalten werden.

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2 Blätter Zeichnungen

Claims (3)

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1. Verfahren zum Dosieren der Entladung von aneinan-derhaftendem pulverförmigem Gut aus einem eine Entladeöffnung aufweisenden Silo oder Bunker, dadurch gekennzeichnet, dass das Gut örtlich belüftet und gleichzeitig unmittelbar Vibrationen mit vertikal gerichteten Komponenten ausgesetzt wird, wobei der Belüftungs- und der Vibrationsbereich räumlich nicht oder nahezu nicht voneinander getrennt sind, so dass die Vibrationen bis in denjenigen Bereich unmittelbar an der Entladeöffnung vordringen, in welchem die Belüftung wirksam ist, so dass sich die gemeinsame Wirkung der Vibrationen und der Belüftung bis zu der Entladeöffnung hin erstreckt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Gut in Berührung stehendes Belüftungselement (6) in Vibrationen versetzt wird.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussmenge des ausströmenden Gutes mittels der Luftmenge beeinflusst wird.