Bulksolids-onderwerpen

Gedragingen van bulkgoed, fenomenen, aandachtsgebieden

Dit document behandelt fenomenen die we tegenkomen bij het transport en de opslag van bulkgoed, en onderwerpen die aandacht vereisen.
Zie ook de documenten over bulktechnologie, fenomenen in silo's en belastingen in silo's.

De rol van lucht bij solids handling

Verplaatsingen door lucht; opzettelijk en onopzettelijk.

In een aantal eerdere artikelen is ingegaan op het stromingsgedrag van stortgoederen en de wijze waarop dit gedrag via metingen kon worden voorspeld. Hoewel het stroomgedrag door vele variabelen wordt beïnvloed, is de aanwezigheid van lucht in of in aanraking met het materiaal misschien wel een van de grootste factoren hierbij. De rol die de lucht speelt, kan zowel positief als negatief uitwerken, geheel afhankelijk van het proces waarbij het optreedt. Op de verschillende aspecten van de rol die lucht kan spelen, zowel in positieve als in negatieve zin, zal in een aantal artikelen nader worden ingegaan.
Bij de beschrijving van stromingsgedrag, bijvoorbeeld voor het silo-ontwerp, in de eerdere artikelen is er steeds uitgegaan van lage transportsnelheden, deeltjes in nauw onderling contact, en rusttijden die voldoende lang zijn om eventueel door het poeder ingesloten lucht te laten ontwijken. In de praktijk van de bulkverwerking komen echter vele situaties voor waarbij deze voorwaarden niet op zullen treden. Hier speelt de in het bulkgoed aanwezige lucht (of een ander gas) wel degelijk een rol. Hierna beschrijven we een aantal van die situaties en de specifieke rol van gas hierin. Meestal is dat lucht, voor het gemak noemen we het in het vervolg lucht. Lucht is een veel voorkomend medium om stortgoed direct of indirect te verplaatsen. Er zijn echter ook situaties waarbij de verplaatsing onopzettelijk gebeurd.

Pneumatisch transport

De meest voor de hand liggende toepassing bij gewenste verplaatsing is pneumatisch transport. Hier fungeert lucht als drager om het materiaal via een buizenstelsel van A naar B te transporteren. Voordeel van dit pneumatisch transport is de vrijheid van traject en transportlengte. Transportleidingen kunnen ook in bestaande situaties worden aangelegd.
Nadelen vormen het vrij hoge energiegebruik en, bij bepaalde producten, de grote slijtage van apparatuur of beschadiging van de deeltjes. Bovendien moet aan het eind van de rit lucht en product weer worden gescheiden. Vooral bij zeer kleine deeltjes is dat een lastige opgave, zowel het scheiden als ook de afvoer van het vaak cohesieve fijne materiaal.

Luchtgedragen bandtransporteur

Een tweede toepassing is het gebruik van lucht als dragend medium bij een zogenaamde luchtbandtransporteur. Dit is in feite een normale bandtransporteur, maar de band in het bovenpart wordt nu niet gedragen door rollen maar door een luchtfilm tussen de band en de ronde goot waarin de band loopt (zie hiernaast). Over nagenoeg de volle lengte van de band wordt via een reeks toevoergaatjes lucht onder de band geblazen. Alleen ter plaatse van het opstortpunt zijn een aantal steunrollen nodig om de impulskracht van het opvallende materiaal op te vangen. Voordelen van dit systeem zijn het geringe vermogen dat nodig is voor het aandrijven van de band, een rustiger loop van de band omdat deze niet doorbuigt tussen de rollen en een lager geluidniveau. Het extra vermogen voor het in stand houden van de luchtfilm is relatief gering.
Het energetisch voordeel neemt af wanneer grote hellingen worden toegepast omdat dan de aandrijfenergie voor een deel als hefarbeid nodig is die niet door de wrijving wordt beïnvloed. De band moet verder zelf flexibel zijn om goed aan te sluiten bij de vorm van de goot opdat een gelijkmatige luchtfilm ontstaat. Hierdoor kunnen alleen relatief dunne banden worden toegepast. Daardoor leent dit type transporteur zich minder voor grote lengtes en zware beladingen die veel trekkracht in de band vragen.

Fluïdisatie-goot

Een derde toepassing is het gebruik van lucht in een fluïdisatie- of beluchtingsgoot. Bij een gewone glijgoot wordt stortgoed met behulp van de zwaartekracht getransporteerd, de hellingshoek moet daarbij ruim groter zijn dan de wrijving tussen goot en product. Om ook bij kleinere hellingshoeken transport mogelijk te maken, wordt in de beluchtingsgoot via een luchtdoorlatende bodem of via nozzles lucht tussen goot en materiaal geblazen waardoor de wrijving sterk afneemt en transport kan optreden.

Stofvorming

Er zijn ook situaties waarbij de verplaatsing van (de fijnste fractie van) solids onopzettelijk gebeurd. In diverse processen waarbij stortgoed wordt bewerkt of getransporteerd komen fines uit het product vrij, of ontstaat het zelfs. Bijvoorbeeld stof dat ontstaat tijdens het malen en breken van het materiaal, stof dat vrijkomt op de overstortpunten van transportsystemen of tijdens het vullen van silo’s. Door spontane of opgewekte luchtstromen kunnen deze kleine deeltjes worden meegevoerd. In de meeste gevallen is het noodzakelijk om het ontstaan van stof te bestrijden en/ of het te verzamelen door het af te zuigen. Eén methode van stofbestrijding is te sproeien met een mist van kleine waterdruppels. Hierdoor wordt het stof wordt ingevangen en komt het terug bij de hoofdstroom. Het is alleen niet altijd toepasbaar omdat de meeste processen niet gebaat zijn bij toevoeging van extra vocht.

Stofexplosies

Een ander voorbeeld waarbij lucht een ongewenste rol speelt zijn stofexplosies. Deze kunnen in principe optreden wanneer er wordt gewerkt met brandbare producten, zoals meel, diervoeder, melkpoeder, houtmot, suikers en poederkool. Voorwaarde voor het ontstaan van een stofexplosie is een brandbaar mengsel van stof en zuurstof (meestal in de vorm van lucht) en een ontstekingsbron van voldoende energie om het mengsel te laten ontbranden. De benodigde ontstekingsenergie hangt hierbij af van het soort product, de deeltjesgrootte, het vochtgehalte en de stofconcentratie. De benodigde ontstekingsbronnen blijken vaak voorhanden in de vorm van een elektrische vonk (statische ontlading), een gloeiend oppervlak (door broei in een stoflaag, langzame verbranding van een stoflaagje op een heet oppervlak, zoals een heetgelopen lager) of menselijke fouten zoals het lassen of slijpen in een te stoffige omgeving.
Stofexplosies zijn niet alleen meestal krachtiger dan gasexplosies (er is meer massa bij betrokken), vaak kunnen er nog secundaire explosies optreden. Door de snelle verbranding en snel toenemende druk in de ruimtelijk opgesloten stofwolk ontstaat er bij de primaire explosie een drukgolf die zich in het opslag- of processysteem voortzet en waarbij nieuwe stofmassa’s kunnen opwervelen zodat nieuwe explosiebronnen ontstaan. Door de hoge temperatuur in de aanwezige gassen kunnen dan secundaire explosies optreden waarbij een geheel traject in een bedrijf kan worden afgelegd. De beste manier om de kans op dit soort explosies zo klein mogelijk te houden, is goede stofbestrijding en verwijderen van stof in de omgeving. Om de gevolgen van (niet altijd te vermijden) explosies te beperken, worden vaak maatregelen als explosieluiken toegepast. Hiermee wordt de opgebouwde druk beperkt en worden drukgolven voorkomen. Ook het explosieveilig uitvoeren van constructies waarbij wel vervorming en beschadiging door een explosie mag ontstaan, maar geen volledig bezwijken mag optreden, bieden soelaas.

Lucht als procesmiddel

In een aantal processen wordt lucht of een (inert) gas toegepast om een proces te doen verlopen of te verbeteren. Hierbij kunnen we denken aan gepakte bedden waar lucht doorheen wordt geblazen om te drogen, te koelen of om eventuele reactieproducten af te voeren. Wanneer het brandbare producten betreft of er kans op broei bestaat, is het aan te bevelen inert gas te gebruiken. De kans dat in deze processen kleinere deeltjes worden meegenomen, is meestal klein omdat de luchtsnelheden laag zijn. Maar als de fijne fractie erg klein is (en belangrijk, zoals bijvoorbeeld bij medicijnen), is dit toch een risico. Een aparte toepassing is het gefluïdiseerde bed. Hierbij ligt de luchtstroom zodanig hoog dat de deeltjes los van elkaar komen en een soort vloeistofgedrag vertonen. Door het hierbij optredende innige contact tussen stortgoeddeeltjes en lucht (of gas) is fluïdisatie uitermate geschikt voor het laten verlopen van allerlei processen. Deze toepassing zal in een apart artikel uitvoerig worden behandeld. Ook bij opslag van stortgoed in silo’s speelt lucht een al dan niet gewenste rol, zie onder.

Invloed van lucht in silo's

Positieve en negatieve invloed van lucht

Hierboven kwam de functie van lucht bij bewerking of transport van bulk solids aan de orde. Ook bij de opslag van stortgoederen in silo’s kan lucht zowel in positieve als negatieve zin een factor van betekenis spelen. Deze keer voorbeelden van de invloed van lucht op het productgedrag en de voorspelbaarheid daarvan.

Stromingsbevordering met lucht

Veel producten stromen niet probleemloos uit silo’s. Hier worden diverse systemen met gebruik van lucht toegepast om stroming op gang te houden of te brengen. Bij fijne poeders worden beluchtingsbodem ingezet, vaak bij grotere silo’s met een licht hellende bodem. De bodem bestaat meestal uit een permeabel materiaal of doek in verschillende vormen: langwerpig, vierkant of rond. De lucht verlaagt de wandwrijving en brengt een soort pneumatisch transport op gang richting de uitgang. Ook in steilere trechters kunnen dit soort elementen worden ingebouwd om stroming te starten en/of te bevorderen. Dit soort beluchting gebruikt lagere drukken en een constante luchttoevoer tijdens het lossen van de silo.
Een andere mogelijkheid om stroming te bevorderen, zijn systemen met hogere druk, vaak luchtkanonnen genoemd. Deze bestaan uit op meerdere plaatsen in de conuswand aangebrachte luchtkleppen (nozzles) die lucht onder vrij hoge druk (circa drie tot acht bar) in korte pulsen in het bulkgoed of langs de wand blazen. Ze worden meestal toegepast om gevormde materiaalbruggen te breken, stabiele inwendige stroomkanalen te ondergraven, of het aankleven van solids te voorkomen. Het effect is een beetje te vergelijken met het slaan tegen het bulkgoed. Ook zal de ingeblazen lucht de wandwrijving en inwendige wrijving van het product plaatselijk wat verlagen en daarmee het stromen bevorderen.

Inlaten/inblazen van lucht

In een silo wordt de druk van boven naar beneden hoger, en de bulkdichtheid daarmee ook. De lucht tussen de deeltjes wordt eruit geperst, en verdwijnt naar boven. In de trechter zal het bulkgoed weer uit moeten zetten om te kunnen stromen. Bovenin de trechter is het bulkgoed compact, zodat lucht toe zal stromen vanaf onder. Gebeurt dat niet voldoende, dan neem de luchtdruk tussen de deeltjes af, en kan dit de stroming belemmeren of blokkeren. Dit speelt vooral bij fijnere materialen (kleiner dan ca 0,4mm).
De onderdruk van lucht kan worden voorkomen door in de trechter lucht toe te laten of in te blazen. Onderzoek heeft uitgewezen dat een toename van het uitstroomdebiet tot een factor drie hierbij tot de mogelijkheden behoort. In de praktijk blijkt echter dat hoeveelheid en plaats van de in te blazen lucht moeilijk te voorspellen zijn en de uitstroming bij grotere luchthoeveelheden onregelmatig wordt.
Bij sommige producten kan luchttoevoer ertoe leiden dat het poeder zich als een vloeistof gaat gedragen ('Flooding') en stroming ontstaat die niet door op stortgoed gerichte apparatuur zoals een uitdraagschroef beheerst kan worden.

Ontmenging

Bij het vullen van een silo zal met de productstroom altijd een hoeveelheid lucht meekomen, en bij vulling met pneumatisch transport nog meer. Hierdoor ontstaan luchtstromingen in de silo waarmee ook kleine deeltjes uit de materiaalstroom worden meegenomen. Er kan dan ontmenging van fijner en grover materiaal optreden, zie de figuur hiernaast.
Bovendien zal bij grotere luchtstromen de uit de silo stromende lucht weer moeten worden gereinigd met bijvoorbeeld een filtersysteem of een cycloon.
Lees meer over ontmengmechanismen en ontmenging in silo's

Flooding

Bij het onttrekken van product aan een silo, neemt zoals hierboven beschreven de druk eerst toe, en in de trechter weer af. De ruimte tussen de deeltjes in de trechter moet daarom groter worden om stroming mogelijk te maken. Hierdoor neemt de luchtdruk in de ruimte tussen de deeltjes af en zal een tegenstroom van lucht vanaf de uitstroomopening optreden. Bij wat grovere producten (korrels) is de weerstand voor de lucht gering en zal de onderdruk eenvoudig worden opgeheven zonder invloed op de stroming. Maar bij fijne materialen (poeders) is de permeabiliteit (luchtdoorlaatbaarheid) klein zodat een grotere onderdruk kan blijven bestaan. Bij grote uitstroomsnelheden zal dit sterker optreden omdat er dan minder tijd voor luchtdruknivellering beschikbaar is. Hierdoor kan in het onderste gedeelte van de conus een zodanig sterke tegenstroom optreden, dat het poeder gedeeltelijkefluïdiseert. Hierdoor neemt zowel de inwendige wrijving als de wandwrijving af en de uitstroomsnelheid nog toe. Het proces versterkt zichzelf en de fluïdisatie stijgt nog meer. Dit resulteert in het plotseling uitstromen van grote hoeveelheden gefluïdiseerd bulkgeod dat wordt aangeduid met ‘flooding’ of ‘(door)schieten’.
Voorbeelden uit de praktijk tonen aan dat een grote hoeveelheid poeder dan als water door uitdraagschroeven heen schiet. Zo’n gefluïdiseerde stroom laat zich eigenlijk alleen beheersen met een positieve afsluiter zoals een goed werkende cellenradsluis. Daarmee is het gevaar van flooding geweken maar is een gelijkmatige, uniforme uitstroom nog niet verzekerd. Vaak vertoont het uitstromende bulkgoed nog een grote variatie aan dichtheid, hetgeen een betrouwbare dosering verstoort.

De kans op flooding in een massastroomsilo is kleiner dan in een kernstroomsilo, omdat bij massastroming de stroomsnelheden lager zijn.

Schachtvorming

In kernstroomsilo’s is de kans op flooding het grootst omdat daar nauwere stroomkanalen ontstaan, dit wordt schachtvorming (shaft building, ratholing) genoemd. In zo’n schacht is de stroomsnelheid hoger, hetgeen sneller voor problemen zorgt. Daarnaast is een dergelijk kanaal is meestal niet stabiel, zodat ineens een grote hoeveelheid poeder inclusief meegesleurde lucht van boven af in het stroomkanaal kan schieten. Als het poeder in het kanaal fluïdiseert, krijgt de lucht door de vrij grote stroomsnelheid en een lage permeabiliteit geen tijd om te ontwijken. Bij de uitstroomopening bevat het poeder nog zoveel lucht dat er flooding optreedt.

Ontluchtingstijd

De derde oorzaak van flooding treedt op bij het snel vullen van silo’s met kleine afmetingen met een poeder waaruit de lucht langzaam ontwijkt. Bij sommige poeders duurt het zeer lang voordat door vrije val of pneumatisch transport ingesloten lucht kan ontwijken. Hoe kleiner het oppervlak van een silo, des te langer het duurt. Bij het leegstromen kan daardoor flooding ontstaan, eerder als er sprake is van een klein stromingskanaal (kernstroming, ratholing).
Constructietechnisch moet rekening gehouden worden met een ander drukprofiel als het bulkgoed lang lucht vasthoudt, en dus (bijna) gefluïdiseerd blijft. In plaats van een belastingsprofiel als bij stortgoed, moet rekening gehouden met een hydrostatische druk, dus vergelijkbaar aan vulling met een vloeistof. De optredende wanddruk, in de cilinder horizontaal gericht, is dan meestal hoger.

Invloedsfactoren

De invloed van lucht op het stromingsgedrag van een stortgoed afhankelijk is van de volgende parameters:

• De permeabiliteit (luchtdoorlaatbaarheid) van het bulkgoed. Deze grootheid geeft een maat voor de weerstand die de lucht ondervind bij het stromen door het bulkgoed. De permeabiliteit is kleiner zijn naarmate de deeltjes kleiner zijn, een bredere deeltjesgrootteverdeling hebben, en dichter op elkaar gepakt zijn.
• De bulkdichtheid van het materiaal. Bij toenemende dichtheid zal de permeabiliteit in het algemeen afnemen. De dichtheid is op haar beurt weer afhankelijk van de druk op het materiaal;
• De deeltjesdichtheid van de deeltjes zelf (solid density). Hoe hoger deze dichtheid, hoe minder gevoelig deze deeltjes zijn voor lucht. Vergelijk ijzerdeeltjes met bijvoorbeeld silica;
• De verandering van de inwendige wrijving en/of de eigensterkte van het bulkgoed wanneer luchtinsluiting plaatsvindt. Dit bepaalt in hoeverre betere stroming of mogelijk doorschieten van het product zal optreden.

Deze invloed van beluchting en ontluchting kan gemeten of tenminste kwalitatief bepaald worden met onderstaande tests.

Permeabiliteitstester

De permeabiliteit wordt bepaald in een kolom waar lucht of een ander gas door het monster wordt geleid en de drukval en het luchtdebiet worden gemeten. Dit gebeurt meestal als functie van de dichtheid, door het monster in stappen te verdichten.
De bodem van de tester bestaat uit een permeabele plaat. De meting wordt gecorrigeerd met de drukval over deze plaat.
Uit de luchtsnelheid (v), de monsterhoogte (h) en drukval (Δp) kan de permeabiliteitsfactor (c) worden berekend met de volgende formule:
      c = v * h/Δp.
Door de meting bij diverse waarden van de bulkdichtheid van het monster uit te voeren, ontstaat het verband tussen dichtheid en permeabiliteit; bij een grotere dichtheid zal de permeabiliteit lager zijn.

Beluchtingstest

Met een fluïdisatiekolom kan het beluchtings- en ontluchtingsgedrag van bulkgoed worden onderzocht. Deze bestaat uit een verticaal opgestelde cilinder met een permeabele bodem waarin het te onderzoeken materiaal vanaf de onderkant wordt belucht, Drukval en luchtsnelheid of luchtdebiet worden gemeten. Bij producten, meestal poeders, die gefluïdiseerd kunnen raken, expandeert het monster bij toenemende luchtsnelheid; de kolomhoogte neemt toe. De snelheid waarmee dit gebeurt is afhankelijk van de producteigenschappen zoals deeltjesgrootte en cohesie. Expansie gaat door tot het product volledig is gefluïdiseerd. Vanaf dat punt blijft de kolomhoogte gelijk, en zal een overmaat aan lucht via bellen en kanalen ontwijken.
Na het sluiten van de luchttoevoer, zal de in het materiaal opgenomen lucht weer ontwijken en de kolomhoogte weer terugzakken. De mate van expansie en de tijd die het kost om de lucht weer te laten ontwijken, beschrijven het beluchtings- en ontluchtingsgedrag.
Echter niet alle soorten bulkgoed, zelfs niet als het een poeder, zullen gelijkmatig gefluïdiseerd raken. Bovendien blijven de luchtsnelheden in de silo vaak te laag om fluïdisatie te bereiken. (Daarom is het misschien beter te spreken van een beluchtingkolom.) Bij producten die niet goed gefluïdiseerd raken, zal de ingeblazen lucht via bellen of kanalen ontwijken. Daarbij kunnen fijne deeltjes meegenomen worden naar het oppervlak, waardoor ontmenging van het monster ontstaat. Dit is te controleren door deeltjesgrootte of bulkdichtheid van product boven en onderuit de kolom te vergelijken.

Powder rheometer

Met een poeder rheometer kan de invloed van de beluchting op de eigensterkte en inwendige wrijving van een stortgoed worden bepaald. Hiervan zijn diverse uitvoeringen op de markt. Het principe van deze testers werkt met een schroefblad dat al roterend op of neer door een kolom van het testmateriaal beweegt. Via snelheid en koppel wordt de benodigde arbeid wordt gemeten. Dit is een maat voor de bezwijkenergie van het monster. Het monster kan worden voorverdicht of in losse toestand worden gemeten. Inblazen van lucht via de onderkant van de materiaalkolom geeft een indruk van de stromingseigenschappen na opname van de lucht. Hieronder de resultaten van een meting met doorstromende lucht bij drie verschillende poeders. Duidelijk is de invloed van doorstromende lucht op de bezwijkenergie te zien, hoewel die voor alle drie verschillend uitpakt. Met name bij materiaal C neemt de bezwijkenergie al bij geringe luchtdoorstroming zeer sterk af en bestaat er een groot risico voor flooding.

Vergelijking met de praktijk

De hiervoor genoemde methoden geven eigenlijk geen van alle uitsluitsel over het precieze gedrag van een belucht bulkgoed in de praktijk. Maar het zijn wel metingen die het mogelijk maken om afwijkend gedrag te onderkennen of verschillende producten of samenstellingen onderling te vergelijken, en aan opgedane praktijkervaringen te relateren.
Het moge duidelijk zijn dat bij opslag en verwerking van stortgoed, vooral bij fijne poeders, een aanzienlijke verandering van het stromingsgedrag optreedt wanneer er, al dan niet bewust toegepaste, beluchting van het materiaal plaatsvindt. Een factor waarmee zowel tijdens het ontwerp als bij het gebruik dus rekening mee moeten worden gehouden.

Fluïdisatie als proceshulpmiddel

Gebruik van lucht of gas om processen te versnellen

Wat is fluïdisatie

Bulkgoed in normale toestand, bijvoorbeeld in een silo of in een emmer, wordt in het jargon van fluïdisatie een gepakt bed genoemd. Bij het doorstromen van zo’n gepakt bed van een fluïdiseerbaar stortgoed met lucht (of een ander gas of vloeistof) zal bij niet te hoge snelheden de drukval evenredig toenemen met de snelheid van de lucht (zie afbeelding 1 en 2). Hierbij zal in eerste instantie het bulkgoedvolume niet of nauwelijks toenemen: het bed expandeert niet of nauwelijks. Bij verdere toename van de luchtsnelheid wordt een punt (A) bereikt, waarbij de kracht op de deeltjes ongeveer gelijk is aan het schijnbare gewicht van de deeltjes. Vanaf dit punt treedt expansie van het bed op en een lichte afname van de stromingsweerstand. Iets verdere opvoering van de snelheid leidt tot het los van elkaar komen van de deeltjes (punt B), waarbij ook de onderlinge wrijving zeer klein wordt.

Nog iets meer lucht, en de drukval neemt licht af (punt C). De totale drukval is vanaf hier gelijk aan het bedgewicht, en bij verdere toename van de snelheid zal geen verdere drukdaling meer optreden, mogelijk wel nog iets expansie van het bed. Verdere toename van de snelheid zal als resultaat hebben dat deeltjes door de stroming worden meegenomen, zodat uiteindelijk transport optreedt. Vanaf punt B treedt de zogenaamde fluïdisatie op waarbij de deeltjes geen onderlinge wrijving meer vertonen en het bulkproduct zich in feite als een vloeistof gedraagt. De snelheid waarbij deze situatie net wordt bereikt, noemen we de minimum fluïdisatiesnelheid.
Deze minimaal benodigde snelheid kan voor een ideaal bed van kleine deeltjes met niet te veel spreiding in de deeltjesgrootte theoretisch redelijk worden berekend. Maar in de praktijk blijkt de waarde meestal wat hoger te liggen.
De voornaamste redenen hiervoor zijn:
* agglomeratie van deeltjes;
* elektrostatische krachten tussen de deeltjes;
* invloed van de wand van het reactorvat en
* vorming van stroomkanaaltjes.

Een test in een fluïdisatiekolom geeft meestal een meer betrouwbare waarde dan een berekende waarde. Behalve de minimum fluïdisatiesnelheid kan ook de snelheid waarbij de eerste bellen ontstaan, worden onderscheiden. In de praktijk wordt meestal een fluïdisatiesnelheid toegepast die wat hoger ligt dan de minimale waarde. De gekozen waarde is hierbij sterk afhankelijk van de toepassing, met name of veel beweging en/of belvorming in het gefluïdiseerde bed gewenst is.

Bedeigenschappen

Hoewel ook bij doorstroming met vloeistoffen een goede fluïdisatie kan worden bereikt, beperken we ons hier tot de in de praktijk veel vaker toegepaste gas-vast systemen. Bij fluïdisatie iets boven de minimumsnelheid is in het ideale geval sprake van een zeer homogeen en rustig bed dat zich gedraagt als een vloeistof. Bij wat hogere snelheden zal veel meer beweging in het bed optreden. Dit gaat vaak gepaard met het optreden van bellen en soms de vorming van voorkeurskanaaltjes van het gas. Het bed lijkt nu meer op een (soms heftig) kokende vloeistof.
Een gefluïdiseerd bed heeft ten opzicht van een vast bed een aantal duidelijke voordelen. Een goede menging en een veel betere warmte- en stofoverdracht vormen de belangrijkste. Bij hogere snelheden en een grote variatie in deeltjesgrootte bestaat overigens wel weer het risico dat er segregatie in het bed gaat optreden. Door de hoge snelheid zullen kleine deeltjes uit het bed worden meegevoerd, terwijl de grotere (en/of zwaardere) deeltjes in het bed naar beneden kunnen zakken.

Fluïdisatie niet altijd mogelijk

Hoewel fluïdisatie dus een goed hulpmiddel kan zijn om een proces in een reactievat te verbeteren, blijkt helaas dat lang niet elk stortgoed kan worden gefluïdiseerd. De mate van fluïdiseerbaarheid van een product hangt sterk af van de gemiddelde deeltjesgrootte, de variatie in de deeltjesgrootte, de cohesie, en de dichtheid en de vorm van de deeltjes. Hoewel een fluïdisatiekolom meestal een beter beeld geeft van de mogelijkheden van een bepaald product, kan toch op basis van grootte en dichtheid van de deeltjes een eerste idee van de mogelijkheden worden verkregen. Vaak wordt hiervoor gebruik gemaakt van een door Geldart opgestelde classificatie. Hierbij wordt vooral gekeken naar de expansie van het bed en het optreden van bellen en kanaalvorming in het bed.

Er worden in 4 groepen deeltjes onderscheiden.

1. Groep A: kleine deeltjes (gemiddelde diameter ca. 30 tot 100 µm) met niet al te hoge deeltjesdichtheid (kleiner dan 1400 kg/m3) en geen of zeer weinig cohesie. De materialen in deze groep zijn goed fluïdiseerbaar, geven een rustig bed met een regelmatige bedexpansie over een vrij groot snelheidsgebied.
   Een voorbeeld uit deze groep betreft katalysatoren bij kraakprocessen.
2. Groep B: dit zijn de wat grotere (ca. 100 tot 800 µm) en zwaardere deeltjes (ca. 1400 tot 4000 kg/m3). Deze producten zijn nog redelijk fluïdiseerbaar, met weinig bedexpansie en het toch al snel optreden van bellen. Het zijn vaak wat zandachtige producten.
3. Groep C: dit zijn cohesieve, fijne materialen (deeltjes kleiner dan 50 µm, dichtheid 800 tot 3000 kg/m3) die zeer slecht of niet te fluïdiseren zijn door de grote samenhang tussen de deeltjes. Door roeren of trillen van het materiaal treedt soms verbetering op. Voorbeelden uit deze groep zijn meel en sommige vliegas-soorten.



4. Groep D: Grote deeltjes, in een vrij groot dichtheidsgebied (groter dan 50 µm, dichtheid 1000 tot 4000 kg/m3). Het gedrag van deze groep is nogal divers. Er bestaat veel kans op kanaalvorming en de vorming van grote trage bellen in het bed.
   De meeste producten in deze groep zijn wel geschikt in spouted beds.

Spouted (spouting) beds

Hierbij wordt het gas meestal centraal ingeblazen en ontstaat een stroomkanaal waarin veel deeltjes worden meegesleurd. Dit kanaal wordt continu met deeltjes bijgevuld vanuit de omringende deeltjesmassa. Boven het bed, waar de gassnelheid kleiner is (meer ruimte voor de stroming), vallen de deeltjes weer terug op het bed. Er vindt zo dus een continue rondstroming van deeltjes plaats. Een klein gedeelte van het gas zal overigens ook via percolatie door het vaste bed ontwijken. Voor dit type bed is wel een grote hoeveelheid gas nodig en een vrij hoge snelheid. Voorbeelden zijn hier tarwekorrels en zeer grof zand.

Fluïdisatiegedrag meten

Zoals gesteld kan de indeling van Geldart slechts worden gezien als een eerste indicatie voor het fluïdisatiegedrag van een bepaald product en zal een fluïdisatiekolom dan verdere informatie kunnen geven. Ook hierbij moet er trouwens rekening mee worden gehouden dat de stortgoeddruk (en dus de mate van samendrukken van het materiaal) in een dergelijke kolom vrij laag zal zijn. In een reactievat kan de druk duidelijk hoger liggen en kan het materiaal in de praktijk wel eens minder goed te fluïdiseren zijn dan bij een kolomtest. Een standaard meetprocedure en de benodigde apparatuur voor het bepalen van het fluïdisatiegedrag van Geldart A en B materialen is in de codes van de ASTM te vinden.

Andere typen gefluïdiseerde bedden

Naast het normale gefluïdiseerde bed en het spouted bed bestaat er nog een aantal speciale bedden voor aparte toepassingen, zoals:

Fluïdisatie onder hoge gasdruk

De invloed van een hogere gasdruk op de minimum fluïdisatiesnelheid is gering, maar de snelheid waarbij bellen worden gevormd gaat wel duidelijk omhoog met de druk. Dit heeft als voordeel dat dus grotere gashoeveelheden kunnen worden verwerkt zonder dat het bed ernstig wordt verstoord.

Conische bedden (Tapered beds)

In een bed met gelijkblijvende doorsnede zal de gassnelheid naar boven toe toenemen vanwege de lagere druk, en dus het grotere volume van het gas. In een conisch bed is de doorsnede bovenin groter dan onderin, zodat de gassnelheid gelijk blijft. Door de lagere snelheid worden minder kleine deeltjes door het gas meegenomen.

Centrifugale gefluïdiseerde bedden

Hierbij roteert het gehele bed met een zekere hoeksnelheid, waardoor de zwaartekracht g als het ware wordt opgeschaald met een factor, zoals in een centrifuge. De gassnelheid waarbij bellen ontstaan en de drukval over het bed nemen met dezelfde factor toe. De waarde van de minimum fluïdisatiesnelheid neemt met maximaal deze factor toe (minimaal met de wortel ervan), afhankelijk van de deeltjesgrootte. Het resultaat voor niet te diepe bedden is dat nu een redelijk homogeen bed kan worden gekregen bij een hoge minimum fluïdisatiesnelheid en een grote range van toelaatbare gasdebieten. Het is echter wel een zeer dure oplossing.

Circulerende bedden

Hierbij is de gassnelheid juist hoog gekozen om veel deeltjes uit het bed met de gasstroom mee te laten bewegen. De deeltjes worden dan via een afscheider weer uit het gas gehaald en na eventuele regeneratie weer naar het bed teruggevoerd.

Het scheiden van lucht en stof

Basisprincipes van ontstoffing

In stortgoedsystemen ontstaan vaak luchtstromen die zijn vervuild met stof/ fijne deeltjes (fines). Deze deeltjes zullen, vanwege milieu- en Arbo-eisen of behoud van product, op enig moment weer gescheiden moeten worden van de luchtstroom.
Stofscheiding hangt samen met de afmetingen, het gewicht en de hoeveelheid van de af te vangen deeltjes. Hieronder worden enkele scheidingsmethoden behandeld.

Op basis van zwaartekracht / traagheidskrachten

Hierbij wordt de snelheid van de lucht (cq het gas) vertraagd en de af te leggen weg verlengd. Dat biedt het stof de gelegenheid om uit het gas te zakken. Ook verandering van de richting van de gasstroom werkt hierbij mee. Stofdeeltjes zijn te traag om de veranderingen te volgen. Een voorbeeld van een dergelijk systeem is een zogenaamde stofkamer. Dit type stofafscheiding wordt maar weinig toegepast omdat het veel ruimte vraagt en slechts voor grotere deeltjes nog enigszins efficiënt is, bijvoorbeeld als voor-afscheider om een opvolgend efficiënter proces te ontlasten.

Op basis van centrifugaalkrachten

Dit principe werkt in feite ook op basis van traagheidskrachten maar hier wordt gebruik gemaakt van rotatie van het gas om de scheiding te bereiken. Deze zogenaamde cyclonen komen in bijna elk proces wel ergens voor, en zullen we daarom verderop uitgebreider behandelen.

Door filtersystemen

Hierbij vindt de afscheiding plaats door het vervuilde gas door een filtersysteem te voeren waarbij de deeltjes in het filter achterblijven. Er bestaan vele typen zakken- of doekenfilters, waarbij de vorm varieert van een geweven of viltachtig doek op een buisvormig of vlak frame. Filtreren gebeurt als diepfiltratie of oppervlaktefiltratie.

Diepfiltratie

Bij diepfiltratie worden in eerste instantie alleen de wat grotere deeltjes (boven ca 1 μm) afgevangen. Deze deeltjes zullen een afsluitende laag in het filtermedium opbouwen waardoor ook steeds kleinere deeltjes worden afgescheiden. De gewenste afscheidingsgraad vergt dus enige inlooptijd. Bij het reinigen van het filter gaat vaak een deel van de afsluitende laag verloren zodat opnieuw een zekere mate van inlopen nodig is.

Oppervlaktefiltratie

Bij oppervlaktefiltratie zit in het filter een microporeus membraam (meestal PTFE). Inlopen is niet nodig omdat vanaf het begin ook de kleinere deeltjes worden afgevangen. Om te grote drukval over het filter te voorkomen, moeten beide soorten regelmatig worden schoongemaakt. Kloppen of luchtpulsen op de ‘achterzijde’ van het filter volstaan hier vaak. De afgescheiden massa wordt meestal verzameld in opvanghoppers aan de onderzijde van het filterhuis. Filtersystemen zijn er in vele uitvoeringsvormen, van doek- tot keramische filters. Ze hebben een hoge zuiveringsefficiency en zijn in een brede range van deeltjesgrootte ( 0,01 tot 100 μm) toepasbaar. Ze lenen zich minder voor grote hoeveelheden lucht met veel deeltjes.

Elektrostatische afscheiders

Bij deze methode wordt het vervuilde gas in het elektrostatische systeem geïoniseerd door het langs een elektroderaam of serie draden te voeren waarop een hoge spanning staat. De vaste deeltjes in het gas worden hierbij negatief geladen en vervolgens door geaarde of positief geladen platen aangetrokken en vastgehouden. De opvangplaten kunnen worden gereinigd met kloppen waarbij de deeltjes via opvangtrechters en sluizen worden afgevoerd. De elektrostatische methode is vrij duur en wordt toegepast wanneer normale filtratie niet mogelijk is, bijvoorbeeld bij hoge temperaturen of agressieve materialen. Vooral de hoge efficiency (tot bijna 100% bij lage gassnelheden), de lage drukval en het hoge temperatuurbereik (tot 550°C) bieden daarbij voordelen. De methode is ook geschikt voor natte deeltjes, terwijl zo nodig de geleidbaarheid van het gas kan worden verhoogd door het toevoeren van waterdamp.

Natte wassers

Bij natte wassers (natwassers, wet scrubbers) worden fijne druppels (meestal water) via nozzles in de gasstroom gebracht. Bij voldoende beweging tussen gasstroom en druppels vinden botsingen tussen deeltjes en druppels plaats waarbij de deeltjes in de druppels worden opgenomen. Daarna kunnen ze via bijvoorbeeld een cycloon uit het gas worden verwijderd. Natte wassers komen in diverse uitvoeringen voor, als wastorens, straalwassers en als bijzondere uitvoering de venturi-wassers (figuur 2).

Door de grote versnellingen in de keel en de vertragingen er na botsen deeltjes en waterdruppels regelmatig met inkapseling van de deeltjes als gevolg. Druppels en deeltjes worden in de aangebouwde cycloon weer van de gassen gescheiden. Al deze wassystemen lenen zich uitsluitend voor zeer fijne deeltjes maar hebben als nadeel dat meestal achteraf ook weer deeltjes en vloeistof moeten worden gescheiden.

Overzicht ontstoffingstechnieken

In onderstaande tabel staan (heel globaal) het toepassingsgebied en andere kenmerken van de diverse scheidingsprincipes. De uiteindelijke keuze voor een bepaald systeem komt voort uit de parameters van het te schonen gas (temperatuur, deeltjesbelading, gashoeveelheid etc.), de vereiste afvangefficiency en de kosten.

Centrifugaalafscheider, cycloon

Een vaak voorkomend probleem bij veel van de scheidingsmethoden is dat ze bij grote hoeveelheden snel vol raken en de afvangefficiëntie afneemt. Een voor-afscheider brengt dan uitkomst. Een van de meest toegepaste voor-afscheiders is de centrifugaalafscheider, ook wel cycloon genoemd. De verontreinigde luchtstroom wordt met relatief hoge snelheid tangentiaal via de toevoeropening de cycloon ingeblazen. De rotatie stuwt de vaste deeltjes met centrifugaalwerking naar de wand. Daar zakken ze naar beneden en van tijd tot tijd afgevoerd. Het schone gas wordt centraal aan de bovenkant afgevoerd.
Aan de hand van de cycloonafmetingen, de in- en uitlaatdiameter en de grootte van de gasstroom kan worden berekend waar de scheidingsgrens van deeltjesgrootte is. In de praktijk is deze grens niet heel strikt: kleinere deeltjes worden soms door grotere deeltjes meegenomen, en andersom worden grotere deeltjes echter niet altijd afgescheiden door het optreden van wervels (bij hoge gassnelheden) of het terugbotsen van de wand.

Het grote voordeel van cyclonen is de eenvoudige constructie en het ontbreken van bewegende delen waardoor ze weinig onderhoud nodig hebben. De moderne uitvoeringen kunnen zonder problemen grote gasstromen verwerken en scheiden deeltjes af tot een ondergrens van ca 20 μm. Systemen waarbij meerdere kleine cyclonen met speciale inlaatschoepen parallel zijn geschakeld (multicyclonen), halen een ondergrens van 10 μm.

Roterende deeltjesscheider

Een variatie op de standaard cycloon is de roterende deeltjesscheider (RDS) ofwel de rotational particle separator (RPS). Deze bestaat uit een door een elektromotor aangedreven ringvormig filter met vele verticale kanaaltjes, die bovenin een normale cycloon wordt aangebracht. De deeltjes in de luchtstroom vanuit de als voor-afscheider werkende cycloon worden in de kanaaltjes door de centrifugaalwerking tegen de wand gestuwd en dus niet meer met de luchtstroom meegenomen. Op geregelde tijdstippen spuit een luchtjet de kanaaltjes van bovenaf leeg en worden ze door de cycloon afgescheiden. De RDS levert een hele goede afscheiding (tot ca 0,1μm), zodat na-filtratie vaak niet nodig is. Bovendien biedt de RDS continue reiniging zonder onderbreking van het proces; beschikt over een vaste ventilator; maakt inlopen van een filter overbodig en leent zich voor hogere temperaturen en/of corrosieve producten (zowel gas als vaste stofdeeltjes). In tegenstelling tot de normale cycloon heeft de RDS wel bewegende componenten zoals het roterende filter en de elektromotor.

Cyclo-filter

Een andere combinatie met een filtereenheid en cycloon is het cyclo-filter. Hierbij is bovenin een normale cycloon een filtereenheid aangebracht, meestal een aantal buisvormige filters, zogenaamde mouwfilters. Hierbij werkt de cycloon als een voorafscheider voor het afvangen van de grotere deeltjes terwijl het filter de kleinere deeltjes afscheidt. Meestal zorgt een pulse-jet luchtsysteem voor de regelmatige reiniging van het filter-gedeelte. Het voordeel van een cyclofilter is dat in één compacte eenheid een breed deeltjesgebied en een hoge stofbelading kunnen worden verwerkt.

Gecombineerde afscheidingssystemen

Vaak zijn in een installatie meerdere typen afscheiders achter elkaar nodig om het hele scala aan deeltjesgrootte en eventuele schadelijke gasvormige componenten uit de gasstroom te verwijderen. Als voorbeeld kan hier de rookgaszuivering van een moderne vuilverbrandingsinstallatie worden genoemd. Hier vindt zuivering plaats in meerdere stappen:

1. De vliegas in de hete rookgassen wordt grotendeels afgescheiden met een cycloon of een elektrofilter, verzameld en afgevoerd.
2. Hierna vindt chemische reiniging van de rookgassen plaats in een apart reactievat waar zeer fijn verdeelde kalkmelk (een mengsel van water en ongebluste kalk) wordt ingespoten. Door de verdamping van de waterdruppeltjes in de hete gasstroom ontstaan zeer fijne vaste kalkdeeltjes en daalt tevens de temperatuur van de rookgassen. Door de kalk worden de meeste zure componenten omgezet in zouten.
3. Door inspuiten van zeer fijn verdeeld actieve kool worden verdere stoffen als furanen, dioxines, onverbrande koolwaterstoffen enzovoort door adsorptie en absorptie gebonden. Naast actieve kool wordt verder nog zeer fijn gemalen natriumbicarbonaat ingespoten om de rest van de zuren te verwijderen.
4. De in de rookgassen nog of weer aanwezige deeltjes, zoals gevormde zouten, nog resterende vliegas, kalkdeeltjes, en actieve kool, worden tenslotte afgevangen met een filtersysteem bestaande uit een serie parallelle mouwenfilters. Ze moeten wel regelmatig worden gereinigd.
5. Als laatste kunnen de nog de aanwezige NOx-verbindingen uit de rookgassen worden gehaald met een katalytische DeNOx-installatie. Hierna verlaten de rookgassen schoon de schoorsteen.

Dit soort gecombineerde scheidingssystemen komen in alle grotere installaties als kolencentrales, kolenvergassers en raffinaderijen voor. Hoewel ze nu al een groot onderdeel vormen van de totale installatie, zal hun aandeel onder milieudruk alleen nog maar toenemen.