Fließeigenschaften von Schüttgütern undverfahrenstechnische Siloauslegung

Dietmar Schulze

Mit dem Begriff "gute Fließfähigkeit" wird ausgedrückt,dass ein Schüttgut leicht zum Fließen zu bringen ist.Als "nicht fließend" werden Produkte bezeichnet, diezu Auslaufstörungen neigen (z.B. durch Bildung vonSchüttgutbrücken oder Schächten, s. Bild 1) oder sichwährend Lagerung und Transport verfestigen.Ursache hierfür ist die Druckfestigkeit des Schüttgutes(Schüttgutfestigkeit).

Bild 1: links: Brückenbildung, rechts: Schachtbildung

Bild 2 zeigt einen mit einem feinkörnigen Schüttgutgefüllten Hohlzylinder mit reibungsfreien Wänden.Das Schüttgut wird zuerst durch die Verfestigungs-spannung verfestigt. Anschließend setzt man diezylindrische Schüttgutprobe nach Wegnahme desHohlzylinders einer zunehmenden Druckspannungaus. Die zum Bruch (zum Fließen) der Schüttgutprobeführende Spannung ist die Schüttgutfestigkeit .

Bild 2: Modellversuch zur Druckfestigkeit

Die Schüttgutfestigkeit steigt mit zunehmenderVerfestigungsspannung an. Einen typischenVerlauf der Schüttgutfestigkeit in Abhängigkeit vonder Verfestigungsspannung zeigt Kurve A (Bild 3).Die ist das Verhältnis ff vonVerfestigungsspannung zu Schüttgutfestigkeit :

ff = / (1)

Um so größer die Fließfähigkeit ff ist, desto besserfließt das Schüttgut. Folgende Einteilung ist üblich [4]:

ff < 1 nicht fließend, verhärtet1 < ff < 2 sehr kohäsiv (bis nicht fließend)2 < ff < 4 kohäsiv4 < ff < 10 leicht fließend10 < ff frei fließend

Bild 3: Schüttgutfestigkeit inAbhängigkeit von derVerfestigungsspannung Bereicheunterschiedlicher Fließfähigkeit

Im Bild 3 sind auch die Grenzen der Bereiche einge-zeichnet, die sich aus der oben angegebenenEinteilung ergeben. Das Verhältnis ff und damit auchdie Beurteilung der Fließfähigkeit ändert sich mit derVerfestigungsspannung . Daher ist für Vergleicheein Messverfahren erforderlich, das die Messung deroben erläuterten Größen bei definierten Verfesti-gungsspannungen erlaubt (Schergerät).

Typische Schergeräte sind die RingschergeräteRST-01.pc [1] und RST-XS.s , die inIndustrie und Forschung eingesetzt werden.

Bild 4: Ringschergerät RST-01.pc (Scherzelle)

Fließfähigkeit

Fließfähigkeit

Ringschergerät

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(Bilder 4 und 5)

nicht fließend sehr kohäsiv

kohäsiv

frei fließend

leicht fließend

ff = 1c ff = 2c

ff = 4c

ff = 10c

�1

�c A

Schwedes + Schulze Schüttguttechnik GmbHSiloberatung und SchüttgutuntersuchungenAm Walde 3, D-38302 WolfenbüttelTel. 05331 8573-312, Fax 05331 8573-313E-Mail: mail@schwedes-und-schulze.deInternet: www.schwedes-und-schulze.de

Dr. Dietmar Schulze SchüttgutmesstechnikMessgeräte für die SchüttguttechnikAm Forst 20, D-38302 WolfenbüttelTel. 05331 935490, Fax 05331 978001E - M a i l : m a i l @ d i e t m a r - s c h u l z e . d eI n t e r n e t : w w w. d i e t m a r - s c h u l z e . d e

Die Schüttgutprobe (Bild 4) wird in den von derScherzelle gebildeten ringförmigen Scherkanal gefülltund von oben über einen Deckel mit einer Kraft Nbelastet (Einstellung des Spannungsniveaus). Bei derMessung rotiert die Scherzelle langsam inPfeilrichtung , während der Deckel mit Hilfe von zweiZugstangen am Drehen gehindert wird. Dadurchentsteht eine Scherverformung der Schüttgutprobe.Die hierzu notwendige Kraft (F +F ) wird gemessen.Aus einem vorgegebenen Ablauf der Messungergeben sich die Fließeigenschaften [1,2].

Bei den Ringschergeräten RST-01.pc und RST-XS.s(Bild 5) laufen Messung und Auswertung automatisch(vom PC gesteuert) ab, was Zeit spart und denBedienereinfluss minimiert. Für feine Pulver (< 1 mm)reicht das kleine Ringschergerät RST-XS.s aus. Es istwegen der

Sind auch größere Partikel (bis 10mm) zu untersuchen, ist das Ringschergerät RST-01.pc vorzuziehen.

Bild 5: Automatische Ringschergeräte

Vorteile der oben gezeigten Ringschergeräte sind:

VielseitigeAnwendbarkeitMessung definierter FließeigenschaftenUnterschiedliche SpannungsniveausEinfach zu bedienenAutomatische Messung/Auswertung

Damit ist das Ringschergerät eine sinnvolle Alterna-tive zu so genannten Einfachmessgeräten, da esleicht zu bedienen ist, dabei aber klar definiertephysikalische Größen liefert [2].

Beim Fließen von Schüttgütern in Silos ist zwischenMassenfluss und Kernfluss zu unterscheiden (Bild 6)[3,4]. Bei Massenfluss ist beim Schüttgutabzug derganze Siloinhalt in Bewegung. Massenfluss ist nurmöglich, wenn die Trichterwände ausreichend steilund/oder glatt sind. Ist dies nicht der Fall, stellt sichKernfluss ein. Dabei wird das Schüttgut in den "totenZonen" im Randbereich erst bei der vollständigenEntleerung des Silos ausgetragen.

Die häufigsten Probleme bei Silos sind:

Brückenbildung (Bild 1).Schachtbildung (Bild 1).Unregelmäßiger Fluss und Schießen durchalternierendes Aufbauen und Zusammenbrechenvon Brücken oder Schächten.Breite Verweilzeitverteilung: Das Schüttgut in dentoten Zonen eines Kernflusssilos befindet sichu.U. eine sehr lange Zeit im Silo.Entmischung nach der Partikelgröße, -dichte oder-form. In Kernflusssilos entsteht dadurch eineschwankende Produktzusammensetzung amAuslauf.

Bild 6: links: Massenfluss, rechts: Kernfluss

Im Kernflusssilo können alle genannten Problemeauftreten, während beim Massenflusssilo nur dasProblem der Brückenbildung berücksichtigt werdenmuss. Auch die praktische Erfahrung bestätigt, dassKernfluss die Hauptursache für Fließprobleme ist.

Zur Auslegung eines Massenflusssilos muss zumeinen die erforderliche Steilheit der Trichterwändeberechnet werden. Zum anderen ist die minimaleAuslaufgröße zur Vermeidung von Brückenbildungfestzulegen. Für die Auslegung sind die Fließeigen-schaften des Schüttgutes zu messen (Schergerät)[3,4]. Mit der entsprechenden Erfahrung in derAnwendung dieser Größen lassen sich Silos unter-schiedlichster Form auslegen, aber auch bestehendeSilos sanieren.

[1] Schulze, D.: Schüttgut 2 (1996) 3, S. 347-356[2] Schulze, D.: Chem.-Ing.-Techn. 67 (1995) 1,

S. 60-68[3]

[4] Schulze, D.: Pulver und Schüttgüter, 2. Aufl.Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York(2009).

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1 2

kleinen Probemengen bis herab zu 3,5 mlgut für Anwendungen in der PharmazeutischenIndustrie geeignet.

Jenike, A.W.: Storage and Flow of Solids, Bull.123, Engng. Exp. Station, Univ. Utah, Salt LakeCity (1964)

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Fließen von Schüttgütern in Silos

Literatur

(c) D. Schulze 2014. Alle Rechte vorbehalten.Druckfehler und Irrtümer vorbehalten.

RST-XS.s RST-01.pc