Silotechnik

Silos, Zuführtrichter und andere Schüttgutbehälter sind häufig nicht der Schwerpunkt bei der Planung einer Anlage, da diese in der Regel wenig zur Wertschöpfung durch Veredelung oder Erzeugung eines Produktes beitragen. Andererseits können sie aber bei nicht sachgerechter Auslegung Anlagendurchsatz oder Produktqualität negativ beeinflussen. Trotzdem werden viele Schüttgutbehälter ohne Rücksicht auf das Verhalten des zu lagernden Schüttgutes gebaut. Dies führt zu den bekannten Effekten, z.B. zu Fließproblemen, die häufig an den Spuren von Hammerschlägen am Trichter zu erkennen sind. Auch bei der Handhabung von Schüttgütern im kleinen Maßstab (z.B. Dosieren) treten ähnliche Probleme auf. Ziel ist es somit das Silo / den Behälter / die Schurre so zu gestalten, dass das Schüttgut ohne Probleme fließt. Dieses wird erreicht, indem die Auslegung auf Basis von Scheranalysen mit dem betreffenden Schüttgut durchgeführt wird. Damit können die sieben Siloprobleme, Brückenbildung, Kernfluss, Schachtbildung, Schießen, Entmischung, Einseitiger Abzug / Beulen / Knicken und Erschütterungen (Silobeben, Silohupen) vermieden oder reduziert werden. Der Problemlöser heißt: Massenfluss. Grundlage einer korrekten verfahrenstechnischen Siloauslegung ist somit die Kenntnis über das Fließprofil.

Sie haben Probleme, wie oben beschrieben, mit Ihrem Silo oder möchten Ihr Silo vor der Planung verfahrenstechnisch korrekt auslegen, so sprechen Sie uns an. Wir verhelfen Ihnen zum Erfolg.

Brückenbildung

Brückenbildung ist ein Problem bei Kern- und bei Massenfluss. Es bildet sich über der Auslauföffnung ein stabiles Gewölbe, so dass der Schüttgutfluss zum Erliegen kommt. Bei feinkörnigen und kohäsiven Schüttgütern ist die Ursache der Brückenbildung die auf den Haftkräften zwischen den einzelnen Partikeln beruhende Druckfestigkeit (Schüttgutfestigkeit). Auch hier lässt sich die Brückenbildung durch eine hinreichend große Auslauföffnung vermeiden, deren Berechnung auf Basis von Scherversuchen durchgeführt wird.

Dabei wird der kritische Durchmesser, der nicht unterschritten werden darf, ermittelt.

Sie haben Probleme mit Brückenbildung– sprechen Sie uns gerne an.

Kernfluss

Kernfluss tritt z.B. dann auf, wenn die Trichterwände nicht steil oder glatt genug sind. In diesem Fall kann das Schüttgut im gefüllten Silo nicht unmittelbar auf den Trichterwänden nach unten gleiten. Es bilden sich tote Zonen, und nur in einer Fließzone, die sich von der Auslauföffnung nach oben hin erstreckt, bewegt sich das Schüttgut nach unten.

Wird der Silo als Puffer betrieben, bleibt das Schüttgut sehr lange in den toten Zonen und kann seine Eigenschaften verändern (z.B. verderben). Kernfluss kann durch eine verfahrenstechnisch korrekte Dimensionierung des Silos auf Basis von Scherversuchen vermieden werden.

Sie haben Probleme mit Kernfluss– sprechen Sie uns gerne an.

Schachtbildung

Die Schachtbildung ist eine Folge des Kernflusses. Schüttgut kann sich aufgrund von Kernfluss in den toten Zonen so verfestigen, dass es nicht mehr allein aufgrund der Schwerkraft ausfließen kann. Erkennbar ist dies an einem von der Auslauföffnung nach oben reichenden leeren „Schacht“.

Ein stabiler Schacht entsteht im Kernflusssilo, indem nur das Schüttgut vertikal über der Auslauföffnung ausfließt. Das übrige Schüttgut – die toten Zonen – bleiben aufgrund der Druckfestigkeit im Silo stehen und bilden die Wände des Schachts. Neigt das Schüttgut zur Zeitverfestigung, kann es sich in den toten Zonen, wo über lange Zeiten keine Schüttgutbewegung vorliegt, immer stärker verfestigen, so dass die Gefahr der Schachtbildung zunimmt.

Im Extremfall ist das Schüttgut nur unter größtem Aufwand (bergmännisch) wieder in Bewegung zu bringen. Schachtbildung lässt sich wie Brückenbildung durch eine hinreichend große Auslauföffnung vermeiden, deren Berechnung auf Basis von Scherversuchen durchgeführt werden kann.

Sie haben Probleme mit Schachtbildung– sprechen Sie uns gerne an.

Schießen

Schießen ist häufig eine Folge nicht hinreichender Entlüftung des Schüttgutes und daher mit zu kurzer Verweilzeit verbunden. Die Verweilzeit frisch eingefüllten Schüttgutes kann aber insbesondere in einem Kernflusssilo sehr kurz sein, wenn während des Füllens abgezogen wird und das eingefüllte Schüttgut durch den Schacht in kurzer Zeit zur Auslauföffnung gelangt. Ein leicht mit Luft fluidisierbares Schüttgut (z.B. Mehl, Feinkalk) hat dadurch nicht die Zeit, sich zu entlüften, und wird dadurch wie eine Flüssigkeit ungebremst aus der Auslauföffnung schießen.

Möglich ist dadurch eine erhöhte Staubbelastung der Umgebung bis hin zum Überfluten des Austraggerätes. Bei Massenfluss ist die Verweilzeit bei gleicher Füllmenge und gleichen Massenströmen dagegen länger.

Schießen ist ebenfalls eine Folge von einstürzenden Brücken. Das herabfallende Schüttgut fällt in Richtung des Auslaufes, dort verdichtet es den Gasraum. Das Gas, i.d.R. Luft durchmischt sich intensiv mit dem Schüttgut und fluidisiert es. Je nach Schüttgut

(z.B. Tonerde, d50: ca. 80 µm) kann es so stark fluidisiert werden, dass es geschlossene Absperrschieber passiert.

Weitere Gründe für Schießen sind z.B.:

große Abzugsleistungen aus dem Silo
Belüftungseinrichtungen
Druckluftkanonen

Sie haben Probleme mit schießendem Schüttgut – sprechen Sie uns gerne an.

Entmischung

Beim Füllen eines Silos muss man stets damit rechnen, dass sich das Produkt über dem Siloquerschnitt entmischt. Bei zentrischer Befüllung findet man meist die kleineren Partikel in der Siloachse und die größeren Partikel am Rand. Herrscht im Silo Kernfluss, wird zunächst das Produkt aus der Mitte (Feingut) ausfließen, während das gröbere Produkt vom Rand erst später folgt. Dadurch entsteht am Auslauf ein zeitlich entmischter Schüttgutstrom, was nicht nur beim Befüllen von kleinen Gebinden eine Qualitätsminderung darstellt, sondern auch den stationären Betrieb nachfolgender Prozesse unmöglich machen kann.

Pulver und Schüttgüter neigen zur Entmischung, wenn sich die Partikel hinsichtlich Partikelgröße, Form oder Dichte unterscheiden.

In vielen Fällen möchte man Entmischung verhindern oder zumindest begrenzen, da das Schüttgut in nachfolgenden Prozessen mit konstanter Zusammensetzung benötigt wird, z.B. weil ein Produkt in Teilmengen gleicher Zusammensetzung abgefüllt werden soll (z.B. in Verkaufsverpackungen), oder weil ein folgender Prozess (z.B. eine Zerkleinerung oder eine Verbrennung) nur bei konstanter Produktzusammensetzung stationär ablaufen kann. Entmischung kann auch zu schwankender Schüttgutdichte führen, wodurch eine volumetrische Dosierung ungenauer wird.

Sie haben Probleme mit Entmischung– sprechen Sie uns gerne an.

Einseitiger Abzug

Austraggeräte können bei ungünstiger Gestaltung zum einseitigen Schüttgutabzug und damit zu Kernfluss führen. Einseitiger Schüttgutfluss führt zu einer ungünstigen, unsymmetrischen Belastung der Silowand.

Im Bereich der Fließzone treten deutlich kleinere Wandnormalspannungen auf als im übrigen Bereich. In unmittelbarer Nähe der Fließzone treten dagegen etwas größere Spannungen auf. Die Silowand wird im Bereich der Fließzone abgeplattet (größerer Krümmungsradius) und daneben etwas stärker gebogen, was mit Biegemomenten in der Silowand (bezüglich der Vertikalen) unterschiedlicher Vorzeichen einhergeht.

Ursachen für exzentrisches Entleeren können sein:

Kernflusssilo mit unsymmetrischer Fließzone, z.B. bei nicht zentrischer Auslauföffnung oder unsymmetrischem Trichter
Silo mit mehreren Auslauföffnungen, von denen nicht alle aktiv sind
Nicht vollständig geöffneter Auslaufschieber
Silo mit einem einseitig abziehenden Austraggerät

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Erschütterungen

Beim Fließen von Schüttgut in Silos kann es zu Erschütterungen und selbsterregten Schwingungen kommen. Die Frequenz der durch das Schüttgut ausgelösten Schwingungen kann größer als 1 Hz sein, manchmal sogar im hörbaren Bereich > 20 Hz liegen, wobei aber gewöhnlich kleine Amplituden vorherrschen. Werden hörbare Schwingungen erzeugt, spricht man vom „Silohupen“, da das Geräusch vergleichbar mit der Hupe eines Lkw ist. Es können aber auch Erschütterungen mit Periodenzeiten von Sekunden bis Stunden in unregelmäßiger Abfolge auftreten, was als

„Silobeben“ oder „Schlagen“ bezeichnet wird. Je nach Untergrund können sich die Stoßbelastungen weit in die Umgebung ausbreiten, so dass Silobeben und Silohupen häufig mit einer Beeinträchtigung der Umwelt verbunden sind, aber auch unangenehm für das Betriebspersonal sowie möglicherweise ungünstig für die Belastung der Silobauwerke sind.

Die Ursache für Silobeben und Silohupen ist schlagartiges Fließen und Abbremsen des Schüttgutes.

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Problemlöser: Massenfluss

Häufig auftretende Probleme beim Lagern von Schüttgütern in Silos wurden in den vorangegangenen Abschnitten beschrieben. Die meisten der dort gezeigten Probleme sind mit Kernfluss verbunden. Daher lassen sich allein durch die Auslegung für Massenfluss eine Reihe der gezeigten Probleme vermeiden:

Schächte sind verfestigte tote Zonen und können sich daher nur bei Kernfluss bilden.
Die Verweilzeitverteilung im Massenflusssilo ist eng („first in – first out“), so dass bei Kernfluss eintretende ungünstig lange und unbekannte Verweilzeiten des Schüttgutes vermieden werden können.

Schießen ist häufig eine Folge nicht hinreichender Entlüftung des Schüttgutes und daher mit zu kurzer Verweilzeit verbunden. Die Verweilzeit frisch eingefüllten Schüttgutes kann aber insbesondere in einem Kernflusssilo sehr kurz sein, wenn während des Füllens abgezogen wird und das eingefüllte Schüttgut durch die tote Zone in kurzer Zeit zur Auslauföffnung gelangt. Bei Massenfluss ist die Verweilzeit bei gleicher Füllmenge und gleichen Massenströmen dagegen länger.
Beim Füllen eintretende Entmischung über dem Siloquerschnitt wirkt sich bei Kernfluss stark auf die zeitliche Zusammensetzung des abgezogenen Schüttgutes aus. Bei Massenfluss tritt dagegen im Trichter eine häufig ausreichende Rückvermischung ein.

Bei feinkörnigen und kohäsiven Schüttgütern ist die Ursache der Brückenbildung die auf den Haftkräften zwischen den einzelnen Partikeln beruhende Druckfestigkeit (Schüttgutfestigkeit). Auch hier lässt sich die Brückenbildung durch eine hinreichend große Auslauföffnung vermeiden. Dieses kann auch Basis von Scheruntersuchungen bewertet werden.

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Fließprofil: Massenfluss und Kernfluss

Fließt Schüttgut aus einem Silo aus, unterscheidet man zwischen Massenfluss und Kernfluss. Bei Massenfluss ist der ganze Siloinhalt in Bewegung, wenn Schüttgut abgezogen wird. Massenfluss ist nur möglich, wenn die Trichterwände ausreichend steil und/oder glatt sind. Ist die Trichterwand dagegen zu flach oder zu rau, stellt sich Kernfluss ein. Bei Kernfluss ist zunächst nur das Schüttgut im Bereich über der Auslauföffnung in Bewegung.

Das Schüttgut in den „toten Zonen“, die sich ausgehend von den Trichterwänden im Randbereich des Silos bilden, wird erst bei der völligen Entleerung des Silos ausgetragen. Die toten Zonen können bis zur Schüttgutoberfläche reichen, so dass sich dort ein Fließtrichter ausbildet und der Kernfluss von oben her deutlich als solcher zu erkennen ist. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass die toten Zonen nur im unteren Bereich des Silos sind, so dass sich durch Betrachtung der Schüttgutoberfläche nicht auf das Fließprofil schließen lässt. Außerdem können sich tote Zonen auch unsymmetrisch ausbilden, was sich ungünstig auf die Belastung der Silowände auswirkt.

Sie haben Probleme mit Ihrem Silo – sprechen Sie uns gerne an.