Pulver und Schüttgüter (eBook)

Fließeigenschaften und Handhabung

Dietmar Schulze (Autor)

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2006 | 2006
XVI, 508 Seiten
Springer Berlin (Verlag)
978-3-540-34083-6 (ISBN)

Infos

Ein Buch für alle, die mit Pulvern und Schüttgütern umgehen - sei es bei der Entwicklung von Pulvern, der Qualitätskontrolle, Planung, dem Bau und Betrieb von Apparaten/Anlagen oder der Beseitigung typischer Probleme. In Teil 1: grundlegende Eigenschaften von Pulvern und Schüttgütern. Teil 2: die Anwendung der in Teil 1 gemessenen Fließeigenschaften zur funktionsgerechten Gestaltung von Schüttgutbehältern. Verständlich, zahlreiche Beispiele.

Inhalt

Geleitwort 5
Vorwort 9
Inhaltsverzeichnis 11
1. Einführung 17
1.1 Häufig auftretende Probleme mit Schüttgütern 17
1.2 Meilensteine der Schüttguttechnik 20
2 Grundlagen 25
2.1 Partikel oder Kontinuum? 25
2.2 Kräfte und Spannungen 26
2.3 Spannungsverhältnisse in Schüttgütern 28
2.3.1 Einführung des Mohrschen Spannungskreises 29
2.3.2 Berechnungen zum Mohrschen Spannungskreis 32
2.4 Schüttgutdichte 36
2.5 Elastische und plastische Verformung 38
2.6 Haftkräfte 40
2.7 Einfluss der Partikelgröße auf das Verhalten des Schüttgutes 48
3 Fließeigenschaften von Schüttgütern 51
3.1 Einachsiger Druckversuch als Modell 51
3.1.1 Verfestigung von Schüttgütern 51
3.1.2 Zeitverfestigung 54
3.1.3 Darstellung mit Spannungskreisen 55
3.1.4 Kennzahlen zur Charakterisierung der Fließfähigkeit 58
3.2 Prinzip der Messung mit Schergeräten 63
3.2.1 Messprozedur 64
3.2.3 Fließort und Fließeigenschaften 72
3.2.3.1 Verfestigungsspannung und Druckfestigkeit 72
3.2.3.2 Darstellung des An- und Abscherens mit Spannungskreisen 75
3.2.3.3 Weitere Fließeigenschaften 78
3.2.3.4 Fließeigenschaften in Abhängigkeit von der Verfestigungsspannung 81
3.2.4 Zeitverfestigung (Caking) 83
3.3 Wandreibung 87
3.3.1 Messprozedur für Wandfließorte 88
3.3.2 Wandfließort und Wandreibungswinkel 89
3.3.3 Zeitwandfließort, statische Wandreibung 91
4 Praktisches Messen von Fließeigenschaften 95
4.1 Messungen mit Schergeräten 95
4.1.1 Messung von Fließorten mit dem Jenike-Schergerät 96
4.1.2 Messung von Fließorten mit dem Ringschergerät 104
4.1.3 Messung der Zeitverfestigung 108
4.1.4 Messung der kinematischen Wandreibung 110
4.1.5 Messung der statischen Wandreibung 113
4.1.6 Abriebmessung 114
4.1.7 Messung der Verdichtbarkeit 117
4.2 Festlegen der Spannungen 119
4.2.1 Fließorte (Fließfähigkeit) 119
4.2.1.1 Auswahl des Spannungsniveaus 119
4.2.1.2 Normalspannungen beim An- und Abscheren 121
4.2.1.3 Automatische Wahl der An- und Abschernormalspannungen 125
4.2.2 Zeitfließorte (Fließfähigkeit bei Zeitverfestigung) 128
4.2.2.1 Auswahl des Spannungsniveaus 128
4.2.2.2 Normalspannungen beim An- und Abscheren 128
4.2.2.3 Automatische Wahl der Abschernormalspannung 128
4.2.3 Wandfließorte (Wandreibung) 129
4.2.3.1 Festlegen der Spannungen 129
4.3 Anwendungsbezogene Messung von Fließeigenschaften 130
4.3.1 Vergleichsmessungen 130
4.3.2 Verfahrenstechnische Siloauslegung 131
5 Anmerkungen zum realen Verhalten von Schüttgütern 133
5.1 Anisotropie und Einfluss der Verformung 133
5.1.1 Spannungen 135
5.1.2 Schüttgutdichte 145
5.1.3 Druckfestigkeit (Schüttgutfestigkeit) 146
5.2 Scherverformung, Scherzonen, Lokalisation 149
5.2.1 Idealisierung: Einfaches Scheren und reines Scheren 149
5.2.2 Scherzonen und Scherbänder 152
5.2.3 Dilatanz 160
5.2.4 Stationäres Fließen und Dilatanz beim Messen von Fließeigenschaften 164
5.3 Fließorte 167
5.3.1 Anscherpunkt, Abscherpunkte und Spannungskreise 168
5.3.2 Zugfestigkeit und Kohäsion 171
5.3.3 Verhalten bei sehr kleinen Spannungen 176
5.4 Einfluss der Geschwindigkeit 180
6 Überblick über Messverfahren und Messgeräte 183
6.1 Einflüsse auf das Messergebnis 183
6.1.1 Prozedur und Hauptspannungen 183
6.1.2 Spannungen in der Messebene 187
6.2 Anforderungen an Messgeräte für Fließeigenschaften 188
6.3 Messverfahren (Übersicht) 189
6.3.1 Trichter 191
6.3.2 Böschungswinkel 192
6.3.3 Lawinenbildung (Avalanching) 194
6.3.4 Imse-Test 195
6.3.5 Fließfähigkeitsindex nach Carr 196
6.3.6 Rührer 197
6.3.7 Verdichtbarkeitsmessung 198
6.3.8 Cohesion Tester, Flowability Test 199
6.3.9 Penetration Test 201
6.3.11 Monoaxial Shear Test 202
6.3.12 Powder Bed Tester mit Zugfestigkeitsmessung 203
6.3.13 Einachsige Zugfestigkeitsmessung 204
6.3.17 Zweiachsiger Druckversuch (Biaxial compression test) 209
6.3.18 Jenike-Schergerät 210
6.3.19 Torsionsschergeräte 211
6.3.20 Ringschergeräte 212
6.4 Bemerkungen zu Aussagekraft und Genauigkeit 213
6.5 Messung von Haftkräften 216
6.6 Zusammenfassung 218
7 Spezielle Eigenschaften und Einflüsse auf das Fließverhalten 219
7.1 Effekte beim Fließen von Schüttgütern 219
7.1.1 Slip-Stick-Effekt durch Zeit- und Geschwindigkeitsabhängigkeit 219
7.1.2 Wegabhängigkeit der Wandreibung 229
7.2 Einflüsse auf das Fließverhalten 231
7.2.1 Partikelgrößenverteilung 231
7.2.2 Fließhilfsmittel 231
7.2.3 Flüssigkeit, Feuchtigkeit 236
7.2.4 Gasströmung 239
7.2.5 Partikelform 243
8 Beispiele gemessener Fließeigenschaften 253
8.1 Fließhilfsmittel 253
8.2 Feuchtigkeit 255
8.3 Temperatur 257
8.4 Zeitverfestigung 258
8.5 Feinheit 260
8.6 Abrieb 262
8.7 Schüttgutdichte 263
8.8 Spannungsabhängigkeit des Wandreibungswinkels 265
8.9 Wandreibungswinkel in Abhängigkeit vom Wandmaterial 267
9 Spannungen im Schüttgut 271
9.1 Spannungsverhältnisse bei der Lagerung in Silos 271
9.1.1 Horizontallastverhältnis 271
9.1.2 Spannungsverläufe 274
9.2 Berechnungsverfahren (Übersicht) 279
9.2.1 Berechnung der Spannungen im Siloschaft 281
9.2.2 Weitere Anwendungen der Janssen-Gleichung 284
9.2.3 Schüttguteigenschaften zur Spannungsberechnung 288
9.2.4 Abschätzung der Spannungen an der Auslauföffnung 291
9.2.5 Spannungsberechnung für das Gesamtsystem 292
9.3 Belastung von Austraggeräten 293
9.3.1 Vertikalspannung an der Auslauföffnung 294
9.3.2 Abschätzen von Abzugskräften 296
9.4 Einflüsse auf die Spannungsverteilung 300
9.4.1 Lokale Querschnittsänderungen 300
9.4.2 Exzentrisches Entleeren 307
10 Verfahrenstechnische Siloauslegung 311
10.1 Fließprofile: Massenfluss und Kernfluss 311
10.2 Probleme beim Lagern von Schüttgütern in Silos 313
10.3 Das Auslegungsverfahren von Jenike 315
10.3.1 Auslegung von Massenflusssilos 315
10.3.2 Auslegung von Kernflusssilos 326
10.4 Anwendungen der Ergebnisse der Siloauslegung 330
10.5 Diagramme zur Siloauslegung 332
12 Schüttgutaustrag 357
12.1 Freier Auslauf und maximaler Massenstrom 357
12.1.1 Abschätzung des Auslaufmassenstroms grobkörniger Schüttgüter 359
12.1.2 Auslaufmassenstrom feinkörniger Schüttgüter 360
12.2 Austraghilfen 365
12.2.1 Pneumatische Austraghilfen 365
12.2.2 Mechanische Austraghilfen 368
12.2.3 Einsatz von Austraghilfen 370
12.3 Austraggeräte 371
12.3.1 Regeln zur Gestaltung hinsichtlich Massenfluss 371
12.3.2 Übersicht 375
12.4 Einsatz von Austraghilfen und Austraggeräten 395
13 Entmischung 399
13.1 Entmischungsmechanismen 399
13.1.1 Siebeffekt und andere Entmischungsmechanismen auf Böschungen 400
13.1.2 Perkolation bei Verformung des Schüttgutes 402
13.1.3 Flugbahn und Gasströmung 404
13.2 Reduzieren der Entmischung beim Lagern von Schüttgütern 408
13.2.1 Veränderung des Schüttgutes 409
13.2.2 Optimieren von Einfüllprozessen 410
13.2.3 Zusammenführen des entmischten Schüttgutes 414
13.3 Probenahme 421
13.4 Schlussfolgerungen 422
14 Erschütterungen und Schwingungen in Silos 423
14.1 Phänomen 423
14.2 Erschütterungen als Ergebnis schlagartig bewegter Schüttgutmassen 424
14.3 Schlagartiges und pulsierendes Fließen durch Slip- Stick 427
14.4 Scherzonen im Silo 427
14.5 Erschütterungen durch Slip-Stick-Reibung 431
14.5.1 Scherzonen im fließenden Schüttgut 431
14.5.2 Veränderliche tote Zonen (Kernfluss) 437
14.5.3 Fließen an der Silowand 441
14.5.4 Kombinationen verschiedener Mechanismen 447
14.6 Erschütterungen durch andere Ursachen 447
14.6.1 Große Massenströme bei kleinen Auslauföffnungen 447
14.6.2 Zyklische Anregung durch das Austraggerät 448
14.6.3 Zusammenbrechende Brücken und Schächte 448
14.7 Maßnahmen zur Reduzierung von Silobeben und Silohupen 449
14.7.1 Verringerung der beschleunigten Masse 450
14.7.2 Regelmäßiges Auslösen von kleinen Erschütterungen 452
14.7.3 Erhöhung der Wandrauhigkeit im Siloschaft 453
14.7.4 Vergleichmäßigung des Fließprofils 454
14.7.5 Umwandeln von Kernfluss in Massenfluss 455
15 Beispielaufgaben mit Lösungen 457
15.1 Allgemeine Hinweise zu den Aufgaben 457
15.2 Aufgaben und Lösungen 457
Aufgabe 1: Spannungen im Siloschaft 457
Aufgabe 2: Maximale Spannung im Massenflusssilo (Abrieb) 459
Aufgabe 3: Entleerungsrohr 460
Aufgabe 4: Abzugskraft 462
Aufgabe 5: Presse 463
Aufgabe 6: Spannungen bei Kombination von Behältern 465
Aufgabe 7: Spannungen in BigBags und gestapelten Säcken 467
Aufgabe 8: Auslaufmassenstrom 468
Aufgabe 9: Auswahl eines Wandmaterials für Massenfluss 469
Aufgabe 10: Auslegung eines Massenflusssilos 470
Aufgabe 11: Auslegung eines Kernflusssilos 474
Aufgabe 12: Auslegung eines Silos bei Zeitverfestigung 477
Symbolverzeichnis 483
Literaturverzeichnis 487
Sachverzeichnis 517

Textauszug

6 Überblick über Messverfahren und Messgeräte (S. 166-167)

Schergeräte sind die Standardmessgeräte der Schüttguttechnik. Auch wenn man bei ihrer Anwendung mit Vereinfachungen arbeitet, z.B. bei der Auswertung von Fließorten (Kap. 5.3), weiß man aufgrund von zahlreichen Untersuchungen, die in Hunderten von Publikationen beschrieben sind, relativ viel über die Vorgänge in der untersuchten Schüttgutprobe. Schließlich trifft man aufgrund der Messergebnisse Entscheidungen zur Gestaltung von Trichtern und Silos, also über große Investitionssummen.

Werden Ergebnisse vor allem zum Vergleich von Schüttgutproben und nicht zur Auslegung von Anlagenteilen benötigt, besteht oft der Wunsch nach möglichst einfachen Messmethoden. Auch ist manchmal festzustellen, dass eine gewisse Scheu vor Schergeräten besteht, da die Darstellung der Ergebnisse mit Fließorten und Spannungskreisen auf den ersten Blick als kompliziert empfunden wird. Daher werden zur Beurteilung der Fließfähigkeit auch andere Messgeräte und -verfahren eingesetzt, die zum Teil auf anderen Messprinzipien beruhen und andere physikalische Größen erfassen. Wegen des Anspruchs dieser Geräte, Fließeigenschaften oder zumindest die Fließfähigkeit von Schüttgütern messen zu können, muss es erlaubt sein, sie hinsichtlich der gleichen Kriterien wie auch Schergeräte zu beurteilen, was in diesem Kapitel geschieht.

6.1 Einflüsse auf das Messergebnis

6.1.1 Prozedur und Hauptspannungen

Aufgrund der vielfältigen Einflüsse auf das Messergebnis sollte stets angestrebt werden, ein Messverfahren mit definierten Bedingungen einzusetzen. Aus den im Kap. 5 beschriebenen Befunden lassen sich Grundregeln für das Messen von Fließeigenschaften, wozu insbesondere die für die Siloauslegung und die Fließfähigkeitsbestimmung wichtige Druckfestigkeit bzw. Schüttgutfestigkeit c gehört, ableiten: Die Verfestigungsprozedur sollte mit dem stationären Fließen enden, denn durch das stationäre Fließen wird der Einfluss der Vorgeschichte (Füllen, vorangegangene Verformung) weitgehend eliminiert, und man erhält bei gegebener Verfestigungsspannung die größte Festigkeit (größer als bei ein- oder zweiachsiger Verdichtung). Außerdem stellt sich stationäres Fließen erst ein, wenn die Schüttgutprobe überall hinreichend verdichtet ist, so dass durch die Beobachtung der Spannungen während der Verdichtung der Verfestigungszustand überwacht werden kann.

Stationäres Fließen bedeutet hier, dass die Spannungen (beim Schergerät: Schubspannung) im Verlauf des Anscherens nicht weiter ansteigen. Die Probe sollte nicht so lange verformt werden, bis die Spannungen aufgrund der Lokalisation auf niedrigem Niveau konstant bleiben. Dies würde zu zu kleinen Schubspannungen beim Abscheren und damit zu zu kleinen Werten der Druckfestigkeit c führen. Bei der Verfestigung (Anscheren) und bei der Messung der Festigkeit (Abscheren) sollten die größten Hauptspannungen in die gleiche Richtung weisen.

Während der Messung darf die Verformungsgeschwindigkeit (z.B. die Schergeschwindigkeit bei Schergeräten) nicht schlagartig verändert werden. Diese Bedingungen lassen sich mit Schergeräten weitgehend erfüllen. Die Hauptspannungen haben beim An- und Abscheren nur wenig voneinander abweichende Richtungen, wenn nicht zu kleine Spannungen für das Abscheren gewählt werden (s. Kap. 5.3.2). Betrachtet man als Beispiel die Scherzelle des Jenike-Schergerätes (Abb. 6.1) (nicht in der Leseprobe enthalten), so ist beim Anscheren die größte Hauptspannung um einen Winkel von etwa 45° gegen die Vertikale geneigt ( 1,an), beim Abscheren um etwas größere Winkel ( 1,ab). Bei kleinen Abweichungen der Richtungen der Hauptspannungen ist der Einfluss aber klein und kann daher vernachlässigt werden. Die Bedingung „Verfestigung bis zum stationären Fließen" lässt sich bei richtiger Durchführung der Messung ebenfalls erfüllen.

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 11.10.2006
• Reihe/Serie: Chemische Technik / Verfahrenstechnik
• Reihe/Serie: Chemische Technik / Verfahrenstechnik
• Reihe/Serie: VDI-Buch
• Reihe/Serie: VDI-Buch
• Zusatzinfo: XVI, 508 S. 337 Abb.
• Verlagsort: Berlin
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Medizin / Pharmazie
• Themenwelt: Naturwissenschaften ► Chemie
• Themenwelt: Technik ► Bauwesen
• Themenwelt: Wirtschaft ► Betriebswirtschaft / Management
• Schlagworte: Chemie • Entwicklung • Fließeigenschaften • Fließfähigkeit • Fließprobleme • Produktionsanlage • Pulver • Quality Control, Reliability, Safety and Risk • Schergerät • Schüttgut • Silo • Verfahrenstechnik
• ISBN-10: 3-540-34083-1 / 3540340831
• ISBN-13: 978-3-540-34083-6 / 9783540340836