DE2722720C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dosieren eines pulverförmigen kohäsiven Materials aus einem Silo oder Bunker, welches pneumatisch nicht in konstanten Gewichtsmengen aus­ getragen werden kann.

In der Praxis hat es sich herausgestellt, daß das regelbare Dosieren von kohäsivem pulverförmigem Material aus einem Bunker oder Silo große Schwierigkeiten ergibt. Schwerkraftströmung ist dabei oft nicht mehr hinreichend, so daß eine Hilfsapparatur benutzt werden muß, um das Silo entleeren zu können. Die verschiedensten Siloentladesysteme für kohäsive Pulver wurden erdacht und erschienen auf dem Markt. Aus der stark verschiedenen Art mag hervorgehen, daß die Anwendbarkeit wenig allgemein ist. Die meisten Systeme eignen sich nur für bestimmte Pulver oder Pulversilokombinationen und werden auch dann noch mit stark wechselndem Erfolg angewendet.

Es ist ein allgemeiner Nachteil der gängigen Entladesysteme, daß die Hilfs­ mittel oft auf Aktivierung der Strömung direkt um die Öffnung herum gerichtet sind. Namentlich jedoch für verderbliche 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 Material 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 wird und die Gefahr der Brücken­ bildung vergrößert wird.

Zu den bekannten Vorrichtungen zum Löschen kohäsiver Pulver aus Silos lassen sich u. a. mechanische Systeme rechnen, die von Förderbändern, Förderschnecken und Rührwerken (z. B. der Nauta-Mischer, mit dem das Produkt aus dem Silo gefördert und der Siloinhalt außerdem locker gehalten werden kann bis 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 Brückenbildung 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 Luftstöße, die in dem Pulver freiwerden, aufgebrochen wird.

Eine besonders wichtige Kategorie der Hilfsmittel umfaßt Vibrierapparate. Die Ausströmung kann dadurch gefördert werden, daß das Pulver an der Silowand oder auf dem Siloboden im Bereich um die Öffnung herum in Schwingung gesetzt wird. So wird u. a. ein relativ zum übrigen Bunker beweglich aufgehängter Boden oder Ausströmkonus durch einen Vibrator oder Unwuchtmotor in Schwingung versetzt, um Brückenbildung und Gangbildung ("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 Ausströmung geregelt werden kann mit Hilfe eines zu Schwingungen angeregten kegeligen Körpers oder Lamellengitters, das unmittelbar über bzw. in der Ausström­ öffnung angeordnet ist. Der Energieverbrauch und die Kosten der dabei angewendeten Vibrierapparatur können manchmal erheblich sein.

Anwendung von Schwingungen kann zweckwidrig wirken, wenn der Siloinhalt dadurch konsolidiert oder kompaktiert wird. So veranlaßt eine Verringerung der Wandreibung einen höheren Konsolidierungsdruck im unteren Teil des Silos, wodurch das Schüttgut ebenfalls zusätzlich verdichtet wird. Durch die Zunahme der Kräfte zwischen den Teilchen als Folge, kann die Ausströmung gerade erschwert werden. Es wird denn auch davor gewarnt, Silos Schwingungen zu unterwerfen, weil dessen pulverförmiger Inhalt sich verdichten kann (E. E. U. A. - Handbook, 1963, Nr. 15, Seiten 11-93, vor allem Seite 93). Die Verdichtungsgefahr wird verständlicherweise zunehmen, wenn man es mit kohäsivem Material zu tun hat.

Ein in der Praxis bei nicht und leicht kohäsiven Pulvern 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 einem mehr oder weniger homogenen fluidisierten Zustand gerät.

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 locker zu halten und Konsolidierung im unteren Silo­ teil zu vermeiden. Der Massendebit 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 Substanzen ungefähr gleich der Massendichte bei Minimum- Fluidisierung wäre. Dies kommt der Gleichmäßigkeit der Ausströmung zugute.

Die Möglichkeiten, schlecht laufende, kohäsive Pulver pneumatisch aus Bunkern oder Silos zu entleeren, sind bisher jedoch beschränkt geblieben. Es ist allgemein bekannt, daß zu einer guten pneumatischen Entleerung das betreffende Pulver ziemlich leicht fluidisierbar sein muß (E. E. U. A.- Handbook, 1963, Nr. 15, Seiten 11-93, vor allem Seite 15). Das Verfahren hat sich deshalb als ungeeignet für stark kohäsives Material erwiesen, 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 diese in das Pulver eingeblasen wird, können die Strömungseigenschaften verbessert werden. In einigen Fällen ist das pneumatische Verfahren damit für kohäsives Material geeignet gemacht.

Es ist weiter bekannt, daß in Reaktoren die Fluidisierungseigenschaften eines pulverförmigen Materials 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 allgemein praktischen Anwendung im Wege gestanden.

Aus der AT-PS 84 628 ist schließlich eine Entleerungsvor­ richtung für Schachtöfen, Silos und andere Massengutbehälter bekannt, bei welcher Druckluft unterhalb eines die Gutsäule tragenden hin- und hergehenden Rostes zugeführt und deren Ent­ weichen durch eine im Austragsschacht befindliche Schüttgutsäule verhindert wird.

Es bestand daher die Aufgabe, sogar sehr kohäsive pulver­ förmige Materialien, wie feuchtes Vollmilchpulver, die nur durch Belüftung oder Vibrieren nicht oder nicht genügend regel­ bar aus einem Silo oder Bunker abgezogen werden können, trotzdem in gut regelbaren Gewichtsmengen in völlig aktiviertem Zustand aus einem Silo zu dosieren.

Diese Aufgabe wird erfindungs­ gemäß bei dem eingangs geschilderten Verfahren dadurch gelöst, daß das Material lokal gleichzeitig an einer räumlich nicht oder nahezu nicht getrennten Stelle belüftet und vibriert wird, wobei die Vibrationen in Richtung der Materialsäule erfolgen.

Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei man eine Kombination von Belüften und Vibrieren anwendet, wird die Aus­ strömbarkeit schwerlaufender Pulver erheblich verbessert. Die Fluidisierungseigenschaften des Materials auf dem Boden werden stark verbessert, so daß das Produkt dort "flüssigkeitsähnliche Eigenschaften" annimmt.

Wesentlich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es, daß das kombinierte Belüften und Vibrieren an räumlich nicht oder nahezu nicht getrennten Stellen durch­ geführt 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 Materials mitbestimmt und wird beispiels­ weise bei Vollmilchpulver nicht mehr als etwa einige Zentimeter betragen. Bevorzugt wird man das mit dem pulverförmigen Material in Berührung befind­ liche 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 Vibrierung 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 Material noch einige Zeit weiterströmen.

In der Praxis stellt es sich heraus, daß bei dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren 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 entzogen werden können, zeigt es sich, daß der Austrag durch Anwendung von Schwingungen mit Beibehaltung der Regelbarkeit vergrößert werden kann.

Nebenvorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind eine geringere Gefahr der Brückenbildung und "rat-holing", eine konstantere Massen- und Volumen­ dosierung und die Vermeidung von Klumpenbildung. Letzteres kann besonders bei Dosierung in Verpackungsmaterial und Reaktorgefäßen 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 dessen 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 für das obenerwähnte Vollmilchpulver - , versehen mit einem Staubfänger 2 und einem Preßluftanschluß 3.

Mit 4 ist ein Silo bezeichnet, bestehend aus einem durchsichtigen zylindrischen Rohr (L = 1,3 m, D = 0,14 m), versehen mit einem Boden aus einer porösen Luftverteilungsplatte 6 aus rostfreiem Stahl, in welcher Platte eine Öffnung 7 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 die Luftverteilungsplatte 6 selbst vertikal in Schwingungen versetzt. Das Ausströmrohr 8 ist in flexibler Weise durch den Lufteinlaßraum 9 geführt und unter Umgehung eines Auffangbehälters 10 und einer Waage 11 mit dem Schwingtisch eines elektromagnetischen Vibrators 26 verbunden. Die Platte 6 konnte hierdurch mit variierenden Frequenzen und Amplituden angeregt werden. Die Platte 6 ist flexibel mit der Silowand verbunden durch Verleimung mit einem Streifen aus synthetischem Kautschuk 12, der seinerseits zwischen den Flanschen 13 der Silowand geklemmt 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 Ausströmöffung 7, damit der Druck­ abfall über das Rohr gering bleiben würde. Es wurde mit einem abgeschlossenen Silo bei veränderlicher Betthöhe gemessen. Nach jedem Versuch wurde das Silo wieder nachgefüllt. Die Luft wurde über einen Kugelhahn 20, ein Luftfilter 21, einen Druckregler 22, ein Nadelventil 23 und, nachdem die Menge mit einem Rotameter 24 gemessen worden war, teilweise unten in das Silo eingeführt und mittels der feinporigen Platte 6 einheitlich über den Siloquerschnitt verteilt. Um zu vermeiden, daß während der Ausströmung des Pulvers der Luftdruck oben in dem Silo abfallen würde und das Bett infolge des entstandenen Druckabfalls die Neigung haben würde in dem Silo hängen zu bleiben, wurde ein Teil der Luft oben über die Druckausgleichs­ leitung 14 eingeführt. Der Druck oberhalb des Bettes war dabei gleich dem Druck unter der Luftverteilungsplatte und wurde mit Hilfe eines wassergefüllten Manometers 25 gemessen. Die Luft verließ das Silo ausschließlich durch die Ausströmöffnung 7. Der Massenstrom des Pulvers wurde mit der elektronischen Waage 11, angeschlossen an die Speiseeinheit 32 und versehen mit der Nullstellung 30, gemessen. Die Menge des ausgeströmten Pulvers konnte je nach Bedarf geschrieben oder registriert werden. Die 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 Filter 35 einem Röhrenvoltmeter 36 und einem Oszilloskop 37 zugeführt. Mit 33 ist eine Speiseeinheit wiedergegeben. Unter Anwendung der oben beschriebenen Vorrichtung erfolgten die Messungen des Mengenaustrags immer unter solchen Bedingungen in bezug auf die Intensität, mit der Belüftung und Vibrierung kombiniert angewendet wurden, daß von einer praktisch gleichmäßigen Ausströmung des Vollmilchpulvers die Rede war. Der Mengenaustrag selbst konnte dann ziemlich genau aus der Neigung der auf dem Papier des Recorders 31 gefundenen Geraden bestimmt werden.

Bei diesem Versuch wurde die Geschwindigkeit, mit der das Silo leer­ strömte, als Funktion der Menge der der Kolonne zugeführten Luft geprüft. Die Frequenz der mit einem RC-Generator 29 erzeugten Schwingungen, die über einen Verstärker 28 und ein Amperemeter 27 dem Vibrator 26 aufgegeben wurden, wurde zwischen 30 Hz und 100 Hz variiert und die Schwingungsamplitude mit der Eingangsströmstärke des Exzitators geregelt. Die Eingangsspannung betrug 25 V. Ohne Pulver in dem Silo schwingt die Platte sinusförmig. Bei einem Pulver enthaltenden Silo war die Schwingung komplex. Sobald das Pulver durch die Platt angestoßen wurde, waren dem Grundton Komponenten höherer Frequenz überlagert, die das Strömungs­ verhalten beeinflußten. Die Schwingungen erwiesen sich als wirksamer, je nachdem die Abweichung von der Sinusform größer war.

Die Messungen ergaben, daß im ganzen geprüften Frequenzbereich dann eine gleichmäßige und regelbare Ausströmung herbeigeführt werden konnte, wenn die Amplitude der Schwingung groß genug gewählt wurde.

In Fig. 4 ist längs der vertikalen Achse die Austragsmenge des Pulvers in kg/min gegen die Luftmenge in l/min abgetragen. Aus Fig. 4 geht hervor, daß die Austragsmenge des Pulvers gleichmäßig mit der Luftmenge zunimmt. Die Regelbarkeit mit der Generatorfrequenz und -amplitude ist viel beschränkter. Zwar nimmt die Austragsmenge bei Herabsetzung der Vibrations­ beschleunigung 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 Aus­ strömung über den ganzen Bereich angewendeter Luftmengen herbeigeführt werden konnte, wennn die günstige Generatorfrequenz gewählt wird, nämlich zwischen 60 Hz und 80 Hz, und außerdem die Eingangsstromstärke des Vibrators mindestens 1 Ampere betrugt. 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 zuzuführende Leistung betrug etwa 20 W. Bei einer Luftmenge von 3 m³/Stunde strömten pro Stunde etwa 0,5 Tonnen Pulver aus dem Silo (Durchmesseröffnung 7 mm).

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

Beispiel II

Abweichend von Beispiel I, bei dem die Stellen der Belüftung und Vibrierung zusammenfielen, wurde bei dem in diesem Beispiel beschriebenen Versuch mit einem Vibrator gearbeitet, bei dem die Stellen der Belüftung und Vibrierung nicht zusammenfielen. Der Vibratorteil der bei diesem Versuch angewendeten Vorrichtung ist in Fig. 3 wiedergegeben. Dabei ist die Platte 6 fest­ gesetzt und der Durchmesser der Ausströmöffnung 7 bis auf 12 mm vergrößert. Unmittelbar über der Platte ist ein kreuzförmiges Organ 15 angeordnet, das zwei ineinander eingreifende viereckige Röhren 16 umfaßt. Das Organ 15 wurde von unten mittels eines durch das Ausströmrohr 8 geführten Schwingstiftes 17, der mit dem Vibrator verbunden war und dessen Innendurch­ messer 6 mm betrug, zu Schwingungen angeregt.

Es stellte sich heraus, daß nur in dem Fall, wenn das Kreuz 15 weniger als einige Zentimeter über der Platte 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 Menge in das Silo eingeführter Luft zu (Fig. 5). Bei den angewendeten Vibrations­ beschleunigungen fand bei einer Luftmenge von 5 l/min keine gleichmäßige Ausströmung statt. Bei höheren Luftmengen war die benötigte Eingangsstrom­ stärke 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 schwingenden Platte. Die Schwinungsamplitude war immer kleiner als 1 mm.

Beispiel III

Mit der im Beispiel I besprochenen Apparatur wurde für Vergleichszwecke noch einige orientierende Messungen durchgeführt, wobei ausschließlich belüftet wurde. Die Messungen wurden durchgeführt mit dem sprügetrockneten Vollmilchpulver (Feuchtigkeitsgehalt 3%, Fettgehalt 26%), mit Kartoffel­ mehl (Feuchtigkeitsgehalt 18%), Kaolin und p-Toluolsulfonamid.

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

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind noch viele Ausführungsformen möglicht, bei denen das Prinzip, das kohäsive pulverförmige Material lokal gleichzeitig an räumlich nicht oder nahezu nicht getrennten Stellen zu belüften und in Richtung der Materialsäule zu vibrieren, verwirklicht werden kann. Beispielsweise kann man an ein System denken, bei dem mit schwingenden 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 beschränkt gehalten werden.

Claims (3)

1. Verfahren zum Dosieren eines pulverförmigen kohäsiven Materials aus einem Silo oder Bunker, welches pneumatisch nicht in konstanten Gewichtsmengen ausgetragen werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß das Material lokal gleich­ zeitig an einer räumlich oder nahezu nicht ge­ trennten Stelle belüftet und vibriert wird, wobei die Vibrationen in Richtung der Materialsäule erfolgen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das mit dem pulverförmigen Material in Berührung stehende Belüftungselement vibriert.

3. Verfahren nach den Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Gewichtsmenge des ausströmenden Pulvers mittels der Luftmenge regelt.