☰

languageshare printsearch

Fenomenen in silo's

Drukopbouw, productbreuk, silo-schokken, ontmenging

Ons eerste document beschreef het vakgebied van de bulktechnologie, met daarin een definitie van stortgoed, ofwel bulk solids, een beschrijving van eigenschappen, meetmethoden, en de basis van het silo-ontwerp.

Dit document behandelt fenomenen die we tegenkomen bij opslag van bulkgoed in silo's, en die problemen kunnen veroorzaken. Met daarbij oplossingsrichtingen en enkele praktijkcases.

Drukopbouw in de silo

Productbeschadiging door normaal-, schuif- en impactkrachten

Toenemende capaciteiten of kortere doorlooptijden vereisen soms grotere grondstofvoorraden. Voor bedrijven die hun grondstoffen in silo's opslaan betekent dit een investering in hogere of bredere silo's. In sommige gevallen leidt dit echter tot problemen. In een grotere silo ondervindt het bulkgoed namelijk een grotere druk. Hierdoor veranderen de eigenschappen, en meestal niet ten goede.
Het opgeslagen product kan breken (degradatie) of samenklonteren (versteviging), waardoor de uitstroom uit de silo wordt bemoeilijkt of problemen ontstaan voor het verdere verloop van het proces. Een hoge druk kan verder aanleiding geven tot schokken van de installatie, slecht functionerende trilbodems (dus slechte dosering) en zelfs bezwijkende trechters. Om de druk in de silo omlaag te brengen, moet men zich vooral bezig houden met de wand van de silo.

Productbeschadiging

In een productieproces waarin deeltjes worden gemaakt, bijvoorbeeld veevoederbrokjes, is het niet te vermijden dat een deel van deze producten al weer tijdens het vervolg van het proces kapot gaat. Behalve dat dit tot productieverlies en waardevermindering van het product leidt, kan het ook de processen zelf nadelig beïnvloeden.
Deze productbeschadiging kan op meerdere plaatsen tijdens het productie- of transportproces plaats vinden. In dit verhaal over opslag in silo’s, kijken we naar oorzaken en reductiemogelijkheden.

Productbreuk

Bij de opslag in een silo ondergaat het product erin normaalkrachten en schuifkrachten, en eventueel impactkrachten bij het vullen van de silo. De normaal- en impactkrachten kunnen tot breuk of fragmentatie van de deeltjes leiden. De schuifkrachten veroorzaken meer een beschadiging van het oppervlak door het ontstaan van scheurtjes of het uitbreken van kleine stukjes.

Gevolgen kunnen zijn:

• waardevermindering van het product;
• het ontstaan van stof, hetgeen leidt tot bedrijfsvervuiling en kans op stofexplosies;
• verandering van de stromingseigenschappen, en daardoor stromingsproblemen;
• meer kans op ontmenging ;
• problemen in vervolgprocessen door verandering van dichtheid, permeabiliteit etc.

De beschadigingen die kunnen optreden door impact tijdens het vullen van de silo blijven hier verder buiten beschouwing. Valhoogtes beperken via het aanbrengen van geschikte valbrekers in de silo, vermindert die problemen.

Berekening silodruk

De druk die optreedt in silo’s beschrijven we met de Janssen-formules. Hoewel deze methode niet exact de werkelijk optredende druk zal weergeven, vormt de uitkomst wel een goede indicatie van het drukverloop en van de factoren die de druk bepalen. Voor het vergelijken van drukniveaus is dat geen bezwaar omdat de drukken steeds met dezelfde relatieve onnauwkeurigheid worden berekend.
De standaard Janssen-formule voor de verticale druk (sigmaZ) in de cilinder wordt gebruikt in de gangbare normen (bijvoorbeeld NEN-EN 1991-4, de vervanger van de lang gebruikte DIN 1055, deel 6). Hiermee wordt druk op een bepaalde diepte (z), dus voor een bepaald vulniveau, berekend.

De formule is een functie van

• de verhouding oppervlak en omtrek van de cilinder (het verticale deel);
• de wandwrijvingscoëfficiënt (mu_W = tan(phiW));
• de verhouding tussen verticale en horizontale silodruk, aangegeven door een factor (lambda of K)
• de bulkdichtheid van het product (gamma = rho*g)

Uit de verticale druk kan de horizontale druk (sigmaH) worden berekend door vermenigvuldiging met de drukverhouding (lambda of K). De horizontale druk is in de cilinder hetzelfde is als de wanddruk, de druk loodrecht op de wand (sigmaH = sigmaW = K * sigmaZ). De schuifspanning aan de wand is de wanddruk vermenigvuldigd met de wandwrijvingscoëfficiënt (tau_W = sigmaW * mu_W).

Invloeden op silodruk

Het drukverloop is dus afhankelijk van de wandwrijving, maar ook van de verhouding tussen oppervlakte en omtrek van de silo. Men kan hieruit afleiden dat een hoge druk kan ontstaan in relatief hoge of brede silo's en in silo's met een lage wandwrijving. Dit laatste kan zijn oorzaak vinden in het afzetten van vet op wand, dat komt nogal eens voor bij silo's met veevoeders, bijvoorbeeld sojaschroot. De norm Deel 6 van de DIN 1055 wijst op dit fenomeen.
Een lage wandwrijving treedt ook op wanneer het stortgoed de silowand heeft gepolijst. Hiervoor moet in de eerste plaats sprake zijn massastroming in de silo. Verder moet het bulkmateriaal relatief hard zijn, maar het kan ook zijn dat een zacht product vervuiling (bijv. zand) bevat. De combinatie kan op den duur zorgen voor spiegelgladde wanden.
Een andere oorzaak van ongewenst hoge drukken in het stortgoed is dat de silo wordt gebruikt voor andere grondstoffen dan waarvoor de silo is ontworpen. Ook verandering van de eigenschappen van een grondstof (bijvoorbeeld de bulkdichtheid) kan een oorzaak zijn.

Mogelijkheden tot drukverlaging

Van de factoren die volgens de Janssenformules de druk bepalen, zijn de bulkdichtheid en de drukverhouding niet of nauwelijks te wijzigen. Verlaging van de vulhoogte is triviaal, deze laten we buiten beschouwing. Blijven over de wandwrijving en de verhouding oppervlak/omtrek.

In de gevallen waar hoge drukken ongewenste gevolgen hebben, zal men streven naar een drukverlaging. In de praktijk worden diverse methoden gebruikt, die bijna allemaal de wand(wrijving) beinvloeden.
Overigens moet men bedenken dat deze methoden voor een bepaald geval een oplossing kunnen zijn, maar dat ze waarschijnlijk niet werken wanneer in dezelfde silo een ander product wordt opgeslagen. De wandwrijving is immers productspecifiek.

Opties voor drukverlaging in silo's

Een aantal mogelijkheden voor drukverlaging zijn:

1. Het plaatsen van ringen,
2. Een rand van gaas aanbrengen,
3. Het plaatsen van één of meerdere tussenwanden,
4. De wandwrijving verhogen; m.a.w. de wand ruwer maken (profileren of coaten),
5. Inserts (inbouwlichamen) in de silo aanbrengen,
6. Tussenconussen toepassen.

1) Plaatsen van ringen

Het plaatsen van ringen in het vertikale deel van de silo is constructief eenvoudig. De juiste dimensionering is echter moeilijk. Een te forse ring kan (plaatselijk) aanleiding geven tot kernstroming, omdat product op de ringen blijft staan. Bij bederfelijk product is dit een probleem.

2) Aanbrengen van stroken gaas

Een verwante methode is het aanbrengen van stroken gaas in de cilinder. Deze stroken worden meestal aan de onderrand bevestigd. Hierbij gelden dezelfde nadelen als bij de ringen. Een bijkomend nadeel is de constructie zelf. Door de hoge belastingen kan het gaas zelf scheuren, of in zijn geheel van de wand worden getrokken.

3) Plaatsen van tussenwanden

De formule van Janssen is een functie van de verhouding oppervlak en omtrek van de cilinder. Verlaging van deze verhouding zal, net als verhoging van de wandwrijving, leiden tot een verlaging van de silodruk. De verhouding oppervlak en omtrek in een silo is in feite niets anders dan het opslagvolume van de cilinder ten opzichte van de hoeveelheid silowand waarmee het stortgoed in aanraking komt.
Voor een horizontale doorsnede van een ronde cilinder is eenvoudig af te leiden dat de verhouding oppervlak en omtrek gelijk is aan de diameter gedeeld door vier. Ook voor vierkante silo’s geldt dit. Verkleining van de silodiameter D leidt dus anders dan bij vloeistoffen tot lagere silodruk bij eenzelfde vulhoogte.
Voor een nieuw te bouwen silo ligt het dus voor de hand om wanneer silodruk een probleem vormt, voor meerdere kleinere cellen te kiezen.

Bij bestaande silo's is het een mogelijkheid om het wandoppervlak te vergroten door het inbouwen van één of meerdere tussenwanden. Dit verkleint de diameter en vergroot het wandoppervlak. Het effect van deze maatregel is goed te berekenen. Het aanbrengen van tussenwanden heeft als bijkomend voordeel dat er verschillende soorten producten kunnen worden opgeslagen. Nadelen liggen vooral op het constructieve vlak. De wand moet solide worden uitgevoerd en de silo moet vaak worden verstevigd op de bevestigingspunten. Dit leidt tot dure constructies. Een nadeel met betrekking tot de stroming is dat de opening excentrisch komt te liggen. Zie de situatie met veevoederpellets voor een uitwerking van tussenwanden in de praktijk.

4) De wandwrijving verhogen

Verhoging van de wandwrijvingscoëfficiënt leidt tot een forse en nagenoeg lineaire verlaging van de silodruk onderin de cilinder. Bovenin de silo is de invloed kleiner omdat de druk nu wat sneller wordt opgebouwd. Een voorbeeld van deze drukverlaging is gegeven in de figuur, waar de opbouw van de druk is weergegeven voor een vulniveau tot 10 meter, voor een silo met diameter van drie meter, een bulkdichtheid van 1000 kg/m3 en een drukverhouding van K=0.4.

Voor de wandwrijvingscoëfficiënt is aangenomen dat deze wordt verhoogd van 0,3 tot 0,6. In de figuur is duidelijk te zien dat de waarde van de verticale druk vooral dieper in de silo fors afneemt.

Het komt er in het gegeven voorbeeld op neer dat bij de ruwere wand pas bij circa tien meter vulhoogte dezelfde druk wordt bereikt als bij de gladde wand na circa vier meter. Ook de waarde van de wanddruk neemt in dezelfde verhouding af.
De waarde van de schuifspanning aan de wand wordt boven in de silo fors hoger door de stijging van de wandwrijving. Belangrijk daarbij is de gesommeerde schuifspanning langs de wand: dit is de belasting die door de wand wordt gedragen. Voor cilinders is dit de belasting die plooi kan doen ontstaan.
Het is logisch dat deze belasting toeneemt: de afname van verticale druk op het product wordt immers veroorzaakt doordat de kolom meer door de wand gedragen wordt.

De mogelijkheid om de silodruk te verlagen door toename van de wandwrijving, is in de praktijk helaas tamelijk beperkt. Veelal vereist dat een of andere coating of bekleding die de vereiste wrijvingsverhoging oplevert, geschikt is voor het betreffende product én nog voldoende slijtvast is bovendien.
Daarnaast kan de ruwere wand zelf aanleiding geven tot slijtage van het product, hoewel de lagere wanddrukken hierbij weer gunstig werken. Verder zal een minder gladde wand eerder tot vervuiling van de silo kunnen leiden. Tenslotte is de toename van de wandwrijving beperkt door de waarde van de inwendige wrijving van het product. Bij te ruwe wanden zal de stroming niet meer langs de wand maar langs een grenslaag van het product zelf stromen, waarbij geldt dat de wandwrijvingscoëfficiënt gelijk is aan de tangens van de inwendige wrijving (mu_W = tan(phiI)).

5) Inbouwen van inserts

Inserts zijn stromingsobstructies. Ze kunnen worden gevormd door schuine platen, kegels, trechtertjes, kettingen, horizontale staven, etc. Vanuit de praktijk is bekend dat ze een grote drukafname veroorzaken. Het grootste voordeel van inserts is dat ze vaak relatief klein kunnen zijn. Hier ligt echter ook het grootste nadeel: het is niet te voorspellen hoe groot de drukafname en daarmee de belasting op de insert zal zijn. Ook de invloed op het stromingspatroon is slecht voorspelbaar. Er kunnen stromingsproblemen ontstaan, of kan het product op hoogte blijven hangen (hang-ups). Het weer op gang brengen van vastgelopen stroming kan dan, juist door de ingebouwde constructies, erg lastig zijn. Het inbouwen van één of meer zogenaamde tussenconussen in de cilinder is dan een beter alternatief.

6) Gebruik van tussenconussen

Bij tussenconussen treedt hetzelfde effect op als bij de eigenlijke conus of trechter van de silo. De druk in het stortgoed neemt af, terwijl de belasting op de wand toeneemt. De drukafname en de constructieve belasting zijn goed voorspelbaar. Zie de figuur, waarin het drukprofiel in een cilinder met een tussenconus is weergegeven. Omdat de drukafname bovenin de trechter het grootst is hebben tussenconussen van beperkte hoogte al een aanzienlijke drukverlaging tot gevolg. In de praktijk blijkt dat een tussenconus die slechts 3% van de diameter van de cilinder van de wand steekt, de druk al ongeveer tot de helft terug kan brengen.
Een voordeel van de toepassing van tussenconussen is ook dat massastroming gewaarborgd blijft. Bovendien wordt in geval van massastroming de productmassa, waarin geen onderlinge beweging tussen de deeltjes optreedt bij het zakken in de cilinder, ter plaatse van de tussenconussen weer in beweging gebracht. Daarmee wordt inklinken en samenklonten voorkomen.

Zie de volgende hoofdstukken voor enkele praktijkcases met betrekking tot drukverlaging.

Tussenwanden voor drukverlaging in silo

Beperken van de druk in een opslagsilo vanwege breuk van veevoederkorrels

In de bovenstaande bijdrage bespraken we enkele theoretische mogelijkheden om drukken in opslagsilo’s te verlagen. Dit om schade aan het opslagproduct, bijvoorbeeld het breken van korrels, of het samenplakken van een poeder te beperken. In dit artikel komt twee praktijkvoorbeelden aan bod.

Veevoederpellets in grote silo's

In een veevoederbedrijf worden veevoederpellets geproduceerd, Die worden vervolgens gedroogd en opgeslagen voor ze in bulk of afgezakt naar de klant worden vervoerd. De opslag vond in het verleden plaats in relatief kleine opslagsilo’s. Door uitbreiding van de productie worden er nu grotere silo’s gebruikt. Dit had als een nadeel dat er een aanzienlijk grotere beschadiging van de pellets optrad. Omdat het type stroming in de grote en de kleine silo’s gelijk was, in beide gevallen massastroming, werd geconcludeerd dat de oorzaak van de toegenomen beschadiging lag aan de hogere druk silo’s. De vraag is dan natuurlijk: is daar wat aan te doen?

Uitgangssituatie en mogelijke oplossingen

De eerder gebruikte kleine silocellen waren rechthoekig, met een doorsnede van 1.5 x 1 m, en een hoogte van 8 m. De uitstroomtrechter was voldoende steil voor massastroming. De pellets hadden met de volgende eigenschappen: wandwrijving tenopzichte van de cilinderwand (mu_w) = 0.48; stortgewicht (gamma) = 8 kN/m3.
Op basis hiervan kan met een gekozen waarde voor de spanningsverhouding (lambda of K) van 0.4 met de standaard Janssen-formule de maximaal optredende verticale druk bij volledig gevulde silo worden berekend: sigma_z = 12.4 kN/m2. Deze maximale druk leidde in het verleden niet tot ernstige productbeschadiging.

De nieuwe silocellen waren eveneens rechthoekig, maar nu met een doorsnede van 2.0 x 2.8 m, en een hoogte van 10 m. Ook in deze silo's trad massastroming op. De in deze cellen optredende verticale druk bij volledig gevulde silo bedroegt: sigma_z = 23.4 kN/m2, dus bijna tweemaal zo hoog als eerst. Omdat er teveel korrels braken, moest de druk dus worden verlaagd. De hoge druk bleek voornamelijk te worden veroorzaakt door de grotere doorsnede. Bij een vulhoogte van 2.3 m was de druk namelijk al hoger dan bij een vulhoogte van 8 m in de oude silo. Minder hoog vullen van de silo daarmee geen optie, en sowieso onwenselijk vanwege het grote ongebruikte volume.

Het inbouwen van tussenwanden

In eerste instantie is gekeken of door het inbouwen van tussenwanden de druk voldoende kon worden verlaagd, en hoe hoog deze wanden zouden moeten worden. De eerste situatie die onderzocht werd is de inbouw van één wand, die de cel in twee gelijke delen verdeelt (zie figuur, optie B). Dit levert al een behoorlijke reductie van de drukken in de silo, omdat de grootte van druk overeenkomt met de verhouding van oppervlak gedeeld door omtrek. Toch bleek voor de huidige cel de drukafname niet voldoende.

Daarom is de inbouw van twee onderling loodrechte tussenwanden onderzocht. In het geval dat deze wand even hoog gemaakt zou worden als de silo, zou de druk ruim onder de toelaatbare druk komen te liggen (zie figuur, drukverloop A). Dit betekent dat de tussenwanden minder hoog hoeven te zijn als de silo. Met een aangepaste versie van de Janssen-formule kan worden berekend hoe hoog de wand zou moeten zijn om onderaan de silo precies op de gewenste druk uit te komen. In dit specifieke geval bleken tussenwanden met een hoogte van 8 m voldoende.
NB: Dit betekent dat ook boven de tussenwand de druk al bijna maximaal is (die treedt op bij 2.3 m vulling van de silo zonder tussenwanden). Hieruit kunnen we afleiden dat in de cel die een kwart beslaat van de silo, de druk nog nauwelijks toeneemt: de eindwaarde is bereikt. Dit betekent in de praktijk dat de cel van 1.0 x 1.4 m "oneindig" hoog mag zijn: de druk zal niet verder toenemen.

Aandachtspunten bij tussenwanden

Over de toepassing van tussenwanden voor verlaging van de silodrukken zijn nog de volgende opmerkingen van belang:

• Verdere verhoging van de tussenwanden boven het punt waar een voldoende reductie wordt bereikt is meestal niet zinvol. Een verdere drukverlaging wordt niet bereikt.
• Inbouw van tussenwanden heeft grote constructieve consequenties. Een groter deel van de totale silolast wordt hoger in de silowanden opgenomen. De constructie moet hierop worden gecontroleerd en zonodig aangepast.
• Omdat de tussenwanden aan beide zijden worden belast, lijkt het aannemelijk dat deze wanden horizontaal minder hoeven op te nemen. Vanwege de mogelijkheid van niet-symmetrische stromingen: de ene cel kan leegstromen, terwijl de andere(n) stilstaan, wordt in de bouwnormen aanbevolen de tussenwanden als normale silowanden te berekenen.
• Soms blijft stroming in één of meer cellen achter, of valt helemaal stil. Zolang produtct blijft uitstromen, valt dit niet op. Tijdsconsolidatie kan er dan echter toe leiden dat deze cellen door brugvorming geheel geblokkeerd raken.
• De verticale drukken waarnaar hier is gekeken zijn meestal niet de hoogste drukken in een silo. Ter plaatse van de overgang naar de trechter kunnen piekdrukken optreden die aanzienlijk hoger zijn. Deze piekdrukken treden echter zeer lokaal op en bovendien worden ook deze piekdrukken in dezelfde mate gereduceerd als de verticale druk

Het inbouwen van tussenconussen

De silodrukken nemen in het verticale deel van boven naar onder steeds verder toe. In de trechter nemen de drukken weer af; de trechterwanden dragen erg veel van het totale gewicht. Vooral het bovenste deel van de trechter neemt veel druk op. Dit effect kan gebruikt worden door één of meer trechters met beperkte hoogte in te bouwen op verschillende hoogte in de cilinder.

Ook voor het probleem met de veevoederpellets is de inbouw van deze zogenaamde tussenconussen onderzocht. Er werd berekend dat er drie tussenconussen van slechts 30 cm hoog nodig waren om de druk onder het toelaatbare niveau te houden, zie de figuur. Deze grote drukafname door een tussenconus betekent dat de constructie daar ter plaatse zwaar belast wordt. Deze verticale last moet door de wand of door verstevigingen (verticale ribben) worden opgenomen.
Voor de onderhavige situatie was dit niet aantrekkelijk, en is derhalve gekozen voor de oplossing met tussenwanden.

Praktische verificatie

Om te controleren of de gekozen methode voor het verlagen van de druk ook werkelijk in de praktijk tot een kleinere productbeschadiging zou leiden, zijn wat tests uitgevoerd. In een van de nieuwe cellen zijn twee onderling loodrechte tussenwanden met een hoogte van 7.5 m aangebracht. Deze aangepaste cel en de ernaast gelegen ongewijzigde cel zijn vervolgens om en om met lagen pellets gevuld. Zodanig dat in beide cellen een vergelijkbaar product was opgeslagen. Tijdens het vullen zijn uit de vulstroom een aantal monsters genomen. Na het vullen zijn beide silocellen geleegd waarbij op vaste tijdstippen monsters uit de productstroom zijn getrokken.

Van al deze monsters is door tellen en meten de gemiddelde lengte van de pellets bepaald als vergelijkingsmaatstaf voor het optreden van de mate van productbeschadiging. De gemiddelde lengte van het materiaal vóór de silo was 16.8 mm. Na opslag in de silocel zonder tussenwanden was deze lengte teruggelopen tot circa 12.5 mm. Bij de cel met tussenwanden was de lengte verminderd tot ca 14.4 mm. Hoewel er dus, zoals ook verwacht, nog steeds beschadiging van het product optreedt, is door het inbouwen van de tussenwanden wel een aanzienlijke verbetering opgetreden.
Tijdens de tests zijn beide gebruikte cellen direct volledig geleegd zodat een deel van het opslagproduct niet onder de hoge drukken heeft gestaan. In de praktijk worden de cellen vaak niet steeds totaal geleegd maar geregeld worden nagevuld. Daardoor komt wel meer materiaal onder de hogere drukken te staan. In dat geval zal de verbetering door de tussenwanden nog groter uitpakken.

Drukverlaging met behulp van tussenconussen

Vermijden van schokken in silo's met melkpoeder

Problematische verlading

Bij een bedrijf waar melkpoeder wordt verladen in bulkwagens, had men de gereedproductsilo's verhoogd voor een grotere inhoud. Probleem na deze ingreep was echter dat de silo's nu zodanig schokten bij het leegstromen, dat de weging werd verstoord. Soms traden nl. dermate grote schokken op dat de silo tonnen lichter leek te zijn. De verlading werd dan door de software stilgelegd, alsof het doelgewicht bereikt was. Opnieuw opstarten kostte veel tijd. Om de gewenste hoeveelheid in de bulkauto te krijgen, moest "erg voorzichtig" verladen worden, hetgeen ook veel extra tijd kostte.
Schokken waren het hevigst wanneer de silo's vol waren, maar niet alleen vanwege de grotere massa in de silo: blijkbaar werd het schokgedrag ook negatief beinvloed door de vulgraad. Opvallend was dat het optreden van schokken te maken had met de geschiedenis van een partij. Zo traden in deze ronde silo's schokken op boven een vulling van 18 ton als de bunker vol geweest was (50 ton). Werd de bunker met niet meer dan 30 ton gevuld, dan traden helemaal geen schokken op.
Er waren twee typen silo's, met kleinere en grotere diameter. Bij eenzelfde vulling in tonnen, schokken de kleinere cellen minder.

Schokkende silo's

Na een literatuuronderzoek bleek dat het schokken van een silo verschillende oorzaken kan hebben. Een bekende is het optreden van slip/stick (zie kader). Ook als gevolg van een variërende wandwrijving kunnen tijdelijke bruggen ontstaan, die bij het instorten zware schokken kunnen veroorzaken. Een andere oorzaak voor schokken is het verstevigings- of ontluchtingsgedrag van het product in combinatie met de silogeometrie. Ook de omslag van massa- naar kernstroming in de silo, onregelmatige uitstroom door bijvoorbeeld een asymmetrische opening of een slecht functionerend uitdraagmechanisme kan schokken doen ontstaan. Zie ook oorzaken van schokkende silo's.
In alle gevallen geldt dat een hogere druk in de silo aanleiding is tot meer en grotere schokken. Dus ook al kent men de oorzaak van het schokken niet (precies): voldoende drukverlaging zal de oplossing brengen.

Het inbouwen van tussenconussen

In een silo nemen de drukken in het verticale deel van boven naar onder steeds verder toe. In de trechter nemen de drukken weer af; de trechterwanden dragen nu veel van het totale gewicht. In de praktijk is te ervaren: wanneer de uitstroomopening erg klein is, is de druk ook erg laag: het product is met de hand tegen te houden, zelfs als er een 'kolom' van 10 meter product in de silo staat.

De drukafname is het grootst bovenin de trechter. Daar maakt de oplossing met tussenconussen dankbaar gebruik van. Zie figuur hierboven. Door een tussenconus met een hoogte van slechts 25 cm kan de verticale druk al een factor 2 worden verkleind.

Ontwerp van tussenconussen

De goede werking van tussenconussen staat of valt met het ontwerp. Hierbij zijn de belangrijkste aspechten het bepalen van de toegestane druk, en het meten van de wandwrijving en inwendige wrijving.
Bij een zekere silo-geometrie is de wandwrijving de belangrijkste factor voor de optredende druk in de silo (onderbroken lijn in de figuur hierboven). Verder moet natuurlijk vastgesteld worden wat de maximaal toegestane druk is. In bestaande situaties is dat realatief eenvoudig, door het vulniveau vast te stellen waarboven problemen optreden. In andere gevallen kunnen metingen van de producteigenschappen (bijvoorbeeld de versteviging) in combinatie met de bedrijfscondities aangeven wat de druk maximaal mag zijn. Verder is de drukafname in een conus of tussenconus is afhankelijk van de inwendige wrijving van het product. Deze is te bepalen met de Jenike shear cell. Als daar reden voor bestaat kunnen stromings- en brugvormingsgedrag van het product worden bestudeerd.
Met de boogtheorie (Jenike, Enstad, Benink) kan aan de hand van de producteigenschappen de drukafname bij toepassing van tussenconussen worden berekend. Hiermee zijn de afmetingen van de tussenconussen exact te bepalen. Hoe meer tussenconussen gebruikt worden, des te kleiner wordt de totale gesommeerde hoogte en daarmee het materiaalgebruik. De montagekosten worden echter groter. De constructeur kan dan voor een specifieke situatie het optimale aantal tussenconussen kiezen.

Tussenconussen in de praktijk

In de situatie met melkpoeder kon één tussenconus de druk voldoende verlagen, maar dan moest deze tamelijk hoog worden, ten opzichte van toepassing van twee or meer conussen. Bovendien: hoe minder tussenconussen (voor hetzelfde maximale drukniveau), des te hoger de drukafname en daarmee de plaatselijke belasting.
Meer tussenconussen betekent echter meer werk, en is dus is kostentechnisch minder gunstig. Om deze redenen is gekozen voor drie tussenconussen: hierbij was extra versteviging van de cilinderwand niet nodig.
Op de foto (genomen door de uitstroomopening naar de deksel, bij een liggende silo) is te zien dat de drie tussenconussen relatief klein zijn.

Voorspelbaarheid van de drukverlaging

Het vermijden van hoge druk op het product is vooral van belang bij producten die schokken van de silo kunnen veroorzaken. Een bekende aanwijzer daarvan is stick-slip-gedrag, hetgeen bijvoorbeeld bij melkpoeders en weipoeders optreedt. Ook bij breekbare korrels, zoals bij geperste of geëxtrudeerde pellets, moet de druk beperkt blijven, om breuk te voorkomen. Bij plakkende en hakerige producten is een hogere druk nadelig omdat problemen verergeren, vaak meer dan verhoudingsgewijs. Ook bij grote massastroomsilo's of silo's met asymmetrische stroming moet men ten zeerste bedacht zijn op de nadelige effecten van een hoge druk.
Toepassing van tussenconussen voor drukverlaging heeft een aantal belangrijke voordelen. Het grootste voordeel is de voorspelbaarheid van de drukverlaging. Hierdoor is het aantal en de grootte van de tussenconussen exact te bepalen. Indien grote silo's worden gebouwd voor bijvoorbeeld breekbare producten, verdient het aanbeveling tussenconussen bij de bouw mee te nemen. De kosten zijn dan aanmerkelijk lager dan wanneer ze in een bestaande silo moeten worden gemonteerd.

Schokkende, trillende en toeterende silo’s

Oorzaken en mechanismen

Van brommen tot toeteren en schokken

Silo’s voor de opslag van poeders of korrels zijn over het algemeen wel zo te ontwerpen dat ze hun werk naar behoren kunnen doen. Maar soms treden er merkwaardige en vaak lastige dingen op. Sommige silo’s blijken in combinatie met bepaalde soorten stortgoed een wat brommerig geluid voort te brengen (‘de silo zingt’), of erger, een periodiek optredend geluid alsof er een vrachtwagen staat te toeteren (het zogenaamde silo-honking).
Een ander fenomeen is een continu trillen van de silo (silo vibrations) waarbij ook andere delen van de constructie in trilling kunnen raken. Het ergste verschijnsel betreft het optreden van soms zeer zware schokken (silo quaking). Die zijn dan in het hele silogebouw en in zelfs in de omgeving daarvan voelbaar en kunnen schade veroorzaken aan de constructie.

Stromingspatroon

In een silo zal voor een bepaald product, afhankelijk van de trechterhoek en de wandwrijving, massastroming dan wel kernstroming ontstaan. Bij massastroming is al het stortgoed in beweging en vindt stroming langs de wand plaats, terwijl bij kernstroming het stortgoed (gedeeltelijk) in zichzelf stroomt en er stilstaande zones zullen bestaan.

Bij beide stromingstypen kunnen onregelmatigheden tijdens stroming tot schokken leiden. Hoewel er diverse oorzaken zijn, is het mechanisme in principe hetzelfde. Er zijn of er ontstaan stilstaande gebieden in het stortgoed die plotseling wel in beweging komen en vervolgens weer even plotseling tot stilstand komen.
Afhankelijk van de inwendige wrijving, de elasticiteit en de demping van het product leidt dit tot schokken in de silo. De sterkte van de schokken en de schokfrequentie wordt in grote mate mede bepaald door de ruimte die het product krijgt om af te glijden en de hoeveelheid betrokken product.

Oorzaken van trillingen en schokken

De hier bedoelde verschijnselen moeten niet worden verward met het plotseling instorten van semi-stabiele gewelven of bruggen, zoals dat kan voorkomen bij de silo-opslag van cohesieve materialen, en waarbij vaak meteen aanzienlijke schade ontstaat. We hebben het hier over min of meer periodieke verschijnselen die op treden bij meestal vrijstromende producten die vrij hard zijn en een niet al te hoge inwendige wrijving hebben. Bekende voorbeelden zijn maïs, cementklinker, steenkool, ijzererts, en diverse harde kunststofgranulaten.

Vanuit de praktijk zijn verschillende situaties bekend die tot schokken van de silo kunnen leiden:

1. stick-slip, inwendig of langs de silowand,
   
2. In silo's waar stroming op de grens tussen massa- en kernstroming ligt.
   
3. Het wegglijden van stilstaande zones in kernstroomsilo's,
   
4. Door ongelijkmatige ontrekking door feeders,
   
5. In massastroomsilo’s, door dilatatie en compactie van het stortgoed.

1) Stick-slip

Stick-slip kan optreden wanneer een relatief groot verschil bestaat tussen de statische en de dynamische wrijving. Dit kan optreden bij zowel de inwendige wrijving, als bij de wandwrijving. Het stortgoed schuift dan niet gelijkmatig in zichzelf, of langs een wand, maar komt moeilijk in beweging, schiet dan door en wordt weer afgeremd, een zich steeds repeterend mechanisme. Hierdoor ontstaat een schokkerig bewegingspatroon dat in interactie met de wand, en afhankelijk van de stijfheid van de constructie tot trillingen of schokken kan leiden.
Bij welke typen stortgoed stick-slip optreedt is moeilijk te voorspellen, maar bij het meten van de inwendige wrijving en wandwrijving zal dit wel snel worden gesignaleerd. Zie de afbeelding hieronder voor een schematische weergave van de wandwrijvingsmeting met en zonder stick-slip.

Het optreden van stick-slip blijkt vaak ook drukafhankelijk te zijn: bij hogere druk is het effect (veel) groter. Dit houdt in dat bij verlaging van de druk de mate van stick-slip afneemt en soms zelfs geheel verdwijnt.

2) Omslag massa- en kernstroming

Bij een opslagsituatie waarbij het stromingspatroon in de silo en product zich in het overgangsgebied tussen massa- en kernstroming bevindt, kan een situatie als geschetst in de afbeelding hiernaast optreden.
Door een eerste vulling kan het stortgoed in de trechter behoorlijk verdicht zijn. Omdat de trechter net niet steil genoeg is voor massastroming, zal een stroomkanaal in het stortgoed zelf ontstaan. Dit stroomkanaal is bovenaan meestal wijder dan onderaan; er vormt zich een trechter van product. Rond het stromende deel bestaan stilstaande zones. Doordat het stortgoed tijdens stromen dilateert (oftewel: het wordt minder dicht, want voor beweging is ruimte nodig) wordt de horizontale druk in het stroomkanaal minder, waardoor de stilstaande zone minder wordt gesteund.
Bovendien zal er wrijving bestaan tussen het stromende en het stilstaande stortgoed, waardoor aan de stilstaande massa wordt “getrokken”. Hierdoor kan er een situatie ontstaan waarbij het stilstaande gebied of gedeelten daarvan, ineens langs de wand naar beneden schieten.
Dit maakt dat het stortgoed in het stroomkanaal weer samen wordt geperst en de afglijdende zones afgeremd waarbij een schok kan ontstaan. Daarna begint het geheel weer opnieuw wat een periodiek schokken veroorzaakt.

3) Schuivende massa in kernstroomsilo's

In een kernstroomsilo kan een tamelijk steil stroomkanaal gevormd worden, zoals geschetst in de afbeelding hiernaast. Dit stroomkanaal wordt normalerwijze steeds bijgevuld doordat stortgoed vanaf de bovenkant van de stilstaande zones toestroomt.
Ook hier zal het stortgoed in het stroomkanaal dilateren, zodat minder horizontale steun ontstaat voor de stilstaande gebieden. Dit kan leiden tot het wegschieten van schollen product langs slipvlakken in het stortgoed zelf. Het plotseling weer afremmen van dit stortgoed in het stroomkanaal leidt eventueel tot een schok waarbij ook het stortgoed in het kanaal weer wordt verdicht en het proces opnieuw begint.

4) Bij slecht werkende feeders

Bij goed werkende massastroomsilo’s is al het stortgoed in beweging en bestaan in feite geen stilstaande zones. Het komt in de praktijk echter geregeld voor dat een onder de uitstroomopening aangebrachte feeder dit ideale patroon verstoort. Dit is bijvoorbeeld het geval wanneer een slecht ontworpen uitdraagschroef, trilfeeder of uitvoerband het stortgoed maar over een gedeelte van de uitstroomopening onttrekt.
Hierdoor ontstaan in de trechter een intern stromingskanaal en stilstaande zones, die op dezelfde manier als hierboven geschetst tot schokken kunnen leiden.

5) Schokken door dilatatie tijdens stroming

Ook in silo's waarin keurige massastroming optreedt, kunnen toch nog schokken optreden. Omdat vaak de gehele massa in de silo meedoet, kunnen juist deze schokken zeer groot zijn. Het verschijnsel laat zich als volgt verklaren. In het verticale deel van de silo zakt bij voldoende vullinggraad het stortgoed als een min of meer vast blok naar beneden, de zogenaamde plug-flow. In de trechter moet beweging in het stortgoed zelf plaats vinden waarbij dus dilatatie van het product op zal treden. Deze dilatatie begint bij de uitstroomopening en breidt zich naar boven in de trechter uit. Hierdoor zal het stortgoed in de cilinder, de plug, minder steun ondervinden van het gedilateerde deel in de trechter. Daardoor schiet het plotseling een stukje omlaag waarna het weer wordt afgeremd door het stortgoed in de trechter, met een schok als gevolg. Tevens wordt het stortgoed in de trechter weer verdicht waarbij het proces opnieuw begint en er opnieuw een schok kan optreden. De grootte van de schok wordt hier bepaald door de stortgoedeigenschappen, door de ruimte die het stortgoed krijgt om te zakken en de hoeveelheid massa in de plug die er bij is betrokken.

Combinatie van oorzaken

Bovengenoemde fenomenen treden soms ook in combinatie op. Zo kunnen bij kernstroomsilo’s waarbij het bovendeel van het product toch als een plug naar beneden zakt, dezelfde schokken optreden als bij massastroomsilo’s. Ook het optreden van stick-slip kan soms het schokgedrag inleiden of versterken. Hieronder zal nader worden ingegaan op mogelijkheden die bestaan om de hier beschreven problemen te voorkomen of op te lossen.

Mogelijke oplossingen voor schokkende silo’s

Voorkomen is beter dan genezen

In de bijdrage hierboven is beschreven hoe en waarom in een silo trillingen, schokken en andere ongewenste verschijnselen kunnen optreden. We zullen nu wat verder ingaan op mogelijke gevolgen van deze problemen en, belangrijker, hoe ze kunnen worden voorkomen dan wel worden opgelost.

Problemen door schokkende silo’s

In het geval van het zingen van silo’s of bij lichte trillingen zijn de gevolgen meestal niet groot. Het is hooguit wat irritant voor het bedienende personeel in het silogebouw en daar vlak omheen. Dit geldt in feite ook voor het ‘toeteren’, hoewel dit wel eens heeft geleid tot klachten over burengerucht en de noodzaak tot aanpassing van het gebruikspatroon. Het wordt ernstiger wanneer de trillingen zodanig zijn dat delen van de constructie gaan meetrillen en lichte schades kunnen optreden. In het geval van echte schokken moet de zaak zeker serieus worden bekeken. Het leidt niet alleen voor het bedieningspersoneel tot een ongewenste situatie, maar kan ook ontregeling van meetapparatuur veroorzaken, of de dosering vanuit de silo onregelmatig maken doordat het afgegeven product geen constante dichtheid heeft. Bij ernstige schokken kan zelfs beschadiging van de silo of van de ondersteunende constructie optreden. Het is opvallend dat in de normen die de berekening van silolasten voorschrijven weinig aandacht aan deze mogelijke lastenverhoging wordt geschonken.

In de ontwerpfase van de silo

Al tijdens de ontwerpfase dient aan de hier genoemde problemen aandacht te worden gegeven. Voorkomen moet worden dat het ontwerp net op de grens van massa- en kernstroming uitkomt, daar dit vaak een aanleiding tot schokken oplevert door instabiele dode zones. Beter is het ruim binnen het massastroomgebied te gaan zitten, of als dit niet mogelijk of gewenst is, duidelijk voor kernstroming te kiezen. Bij toepassing van wigvormige trechters met langwerpige uitstroomopeningen, dient de gekozen onttrekapparatuur zodanig ontworpen te worden, dat ze over de gehele lengte van de opening stortgoed onttrekt. Dit om dode zones boven een deel van de opening te voorkomen.
Tenslotte dient zo mogelijk te worden vermeden dat zogenaamde stick-slip-stroming van het materiaal langs de silowand optreedt. Dit kan aanleiding geven tot trillingen, maar kan ook zwaardere schokken inleiden of versterken. Het mogelijke stick-slip-gedrag kan meestal eenvoudig worden aangetoond met een standaard afschuifproef. Hierbij wordt het materiaal onder diverse belastingen over een testplaat geschoven, waarbij de benodigde schuifkracht wordt gemeten als functie van de verplaatsing. Bij stick-slip treden grote variaties in de gemeten schuifkracht op, zoals in onderstaande figuur is weergegeven. Indien bij een bepaalde combinatie van stortgoed en silowand significante stick-slip blijkt op te treden, dient zo mogelijk een ander wandmateriaal of wandcoating te worden toegepast.

Aanpassen van bestaande situaties

In de ontwerpfase kan tot op zekere hoogte het optreden van schokken en trillingen kan worden onderzocht en vervolgens vermeden. Maar het optreden van schokken blijftook in een bepaalde mate onvoorspelbaar. Ook kan het zijn dat het stortgoed zich toch anders blijkt te gedragen dan waarvan in de ontwerpfase is uitgegaan, of omdat geheel andere producten in de silo worden opgeslagen. De vraag is dan hoe het probleem van schokken of trillen kan worden opgelost. In de bijdrage hierboven is beschreven dat er meerdere oorzaken aan de basis van het probleem kunnen liggen. Eerste stap richting een oplossing is dan ook om na te gaan welke oorzaken in de onderhavige situatie een rol spelen. Om op basis daarvan kan een oplossing te zoeken.
Hieronder wordt voor diverse oorzaken kort aangeven wat oplossingen kunnen zijn.

Stick-slip-trillingen

Wanneer stick-slip-stroming in een silo optreedt, is dit meestal te constateren aan lichte trillingen die voelbaar zijn aan de cilinderwand. Dit hoeft geen probleem te vormen, tenzij de trillingen hinderlijk zijn voor bijvoorbeeld weging of meting. Ook kunnen trillingen bij grotere vulgraad schokken veroorzaken. Om dit op te lossen moet worden nagegaan of het stick-slip-gedrag van bulkgoed langs de wand of inwendig plaatsvindt. Dit kan worden vastgesteld met een afschuifproef, bijvoorbeeld met de Jenike shear cell.
Wanneer er sprake is van stick-slip langs de wand, kan worden geprobeerd met een geschikte wandbekleding of coating een beter stroomgedrag te krijgen. Is er alleen sprake van inwendige stick-slip, dan is er op zich weinig aan te doen. Wel is het praktisch bijna altijd zo dat bij lagere drukken het stick-slip-gedrag in veel mindere mate optreedt, zowel langs een wand als inwendig. Meestal is het daarom een oplossing om door geschikte maatregelen het drukniveau in de silo te verlagen zodat het stick-slip-effect wordt onderdrukt. Zie mogelijkheden tot drukverlaging.

Oplossen van schokken bij een grensontwerp

Wanneer een vrij regelmatig patroon van op zich niet al te zware schokken optreedt, kan dit te wijten zijn aan een grensontwerp, waarbij de stroming wat pendelt tussen massa- en kernstroming. Dit kan worden gecontroleerd door het meten van de wandwrijving, en vast te stellen of deze, in combinatie met de trechterhoek, op het grensgebied bevindt. Indien in een bepaald geval een grenssituatie bestaat, zoals aangegeven in de afbeelding als punt A bij axiaal-symmetrische stroming (linker grafiek), moet worden geprobeerd om tot een echte massastroming te komen. Hiervoor bestaan meerdere mogelijkheden. De vaak simpelste methode is het verlagen van de wandwrijving door een geschikte coating of bekleding van de conuswand te zoeken, waarbij de situatie bijv. in punt B terechtkomt, met een goede massastroming. Helaas blijkt het niet altijd mogelijk om een geschikte en ook slijtvaste bekleding te vinden. Een tweede mogelijkheid is het steiler maken van de conus, zodat bijvoorbeeld punt C wordt bereikt. Ook dan zal massatroming optreden, maar het is een ingrijpende oplossing die in een bestaande situatie meestal niet eenvoudig is te realiseren.

In situatie met ronde of vierkante trechters en dus axiaal-symmetrische stroming is er een nog een mogelijkheid: overgaan naar vlaksymmetrische stroming. Voor dit type stroming is een minder steile trechterhoek nodig om massastroming te krijgen, zie punt A in de grafiek van de vlaksymmetrische situatie.
Aanpassen van de trechter is het beste, maar in de praktijk vaak te ingrijpend. Met een verdringerkegel in de conus (zie schets van doorsnede van een ronde silo) kan vlakke stroming benaderd worden. Door het inbouwen van de kegel ontstaat onderaan rond de kegel een langwerpige uitstroomopening, waardoor een semi-vlak stromingsprofiel optreedt. Het nadeel van het inbouwen van een verdringerkegel is dat de plaats en de juiste vorm van de kegel nogal kritisch is om een optimaal resultaat te krijgen. Bovendien moet de kegel tamelijk groot worden, en is er een ondersteuningsconstructie nodig die meestal de stroming zal belemmeren. In de literatuur zijn hiervoor ontwerprichtlijnen te vinden.
Tenslotte bestaat nog de mogelijkheid om aan de silogeometrie zelf niets te wijzigen, maar via trillers op de trechter of door het inblazen van lucht het stromingspatroon te verbeteren, om meer stortgoed in beweging te krijgen. De effecten van deze maatregelen zijn echter vaak niet zo groot, en werken meestal slechts plaatselijk.

Oplossen van schokken door kernstroming

Indien kernstroming blijkt op te treden, kan in eerste instantie worden geprobeerd om massastroming te krijgen op één van de manieren zoals hierboven beschreven in situatie waarbij stroming op de grens ligt. Veelal is in praktijksituaties met kernstroming de trechterhoek lang niet steil genoeg, of de wandwrijving dermate hoog, dat er geen eenvoudig praktisch toepasbare oplossingen zijn. Er kan nog worden geprobeerd het stroomgedrag te verbeteren door trillers op de trechter of het inblazen van lucht. Doch bij echte kernstroming is de kans op succes hierbij klein omdat de stroming zich relatief ver van de wand afspeelt. Wel is het soms mogelijk om, wanneer echte schokken optreden, met behulp van luchtkanonnen de stilstaande zones op geregelde tijdstippen in beweging te brengen. Daarmee worden de schokken niet geheel voorkomen maar zullen ze regelmatiger en minder hevig optreden.

Oplossen van schokken bij massastroming

Ook bij een goede massastroming kunnen trillingen en schokken optreden. Deze kunnen worden veroorzaakt door een slecht werkend onttrekmechanisme waarbij instabiele zones boven de uitstroomopening ontstaan. Hierop moet het systeem worden gecontroleerd en moet het onttrekmechanisme worden aangepast. Maar ook bij goed werkende uitdraagapparatuur kunnen bij massastroming problemen optreden. Meestal blijkt bij kleinere vulling van de silo de intensiteit van de schokken minder te worden. In dat geval kan het nuttig zijn om de druk op de trechter te verlagen. zie mogelijkheden tot drukverlaging.

Praktijkoplossingen voor schokkende silo’s

Drie cases waarin schokken werden voorkomen of geminimaliseerd

In de twee bijdragen hierboven werd beschreven hoe en waarom allerlei vervelende problemen als trillingen en schokken in een silo kunnen ontstaan en wat eventuele oplossingen kunnen zijn. In dit verhaal een aantal cases waarin met succes een schok-probleem is opgelost.

Case 1) Poedermelksilo’s met doseerproblemen

Silo’s op drukdozen

Bij een bedrijf dat diervoeders produceert, maakte men voor jongveevoeder in poedervorm gebruik van twaalf slanke silo’s met een diameter van ruim 3 meter en een maximale vulhoogte van 5 meter. De trechters van de silo’s waren rond en steil, met een trechterhoek met de verticaal van 20 graden. De silo’s waren voorzien van trilbodems waarmee het uitstroomdebiet kon worden geregeld. Elke silo was afgesteund op vier drukdozen die het gewicht van silo-inhoud nauwkeurig registreerden. Dit systeem werd gebruikt voor het beladen van bulkwagens waarbij een geijkte nauwkeurigheid van de belading kon worden gegarandeerd.

Verhoging van silo’s

Dit beladingsysteem werkte lange tijd naar behoren, totdat vanwege capaciteitsvergroting werd besloten de silo’s te verhogen, zodat de vulhoogte 9 meter zou kunnen worden. Vanaf dat moment traden er bij meerdere producten, vooral bij vette melkpoeders, behoorlijke schokken op. Op zich waren deze schokken geen probleem voor de siloconstructie maar het weegsysteem raakte compleet van slag. Er werden afwijkingen gemeten tot soms twee ton ten opzichte van het werkelijke vulgewicht met als gevolg dat de trilbodem geregeld veel te vroeg werd uitgezet en de uitlevering stopte. Omdat pas na een minuut het systeem weer mocht worden opgestart, ontstond een traag en lastig te besturen systeem.

Dure alternatieven

Oplossingen als het gebruik van weegbruggen voor het wegen van de bulkwagens of het bouwen van kleinere tussenbunkers werden in eerste instantie als nogal duur van de hand gewezen. Besloten werd schokken zelf aan te pakken. Als eerste mogelijkheid werd de werking van trillers op diverse plaatsen van de cilinderwand uitgeprobeerd. Het bleek dat twee trillers per silo, onderaan en halverwege de cilinder, het probleem redelijk beheersbaar maakte. Helaas bleek de bovenste triller bij daling van het vulniveau thermisch uit te slaan zodat hiervoor een aparte regeling nodig was. Vanwege de vrij hoge investeringen, extra energieverbruik, extra lawaaioverlast en met het oog op toekomstige uitbreidingen, bleek deze oplossing niet optimaal.

Massastroming en hoge druk

De zoektocht ging verder. Metingen aan de producten maakte duidelijk dat een zekere mate van stick-slip optrad, zowel aan de wand als inwendig. Uit de gemeten wandwrijving en de toegepaste trechterhoek kon verder worden geconcludeerd dat in de silo’s duidelijk massastroming optrad. Bij massastroming worden schokken dikwijls veroorzaakt doordat de massa in de cilinder de ruimte krijgt om plotseling wat te zakken en daarna wordt afgeremd. De ruimte ontstaat doordat het materiaal in de trechter dilateert of doordat mogelijk wat instabiele bruggen in de cilinder of de trechter bezwijken. In beide gevallen speelt de verticale druk, en dus de vulhoogte in de cilinder een grote rol bij de intensiteit van de schokken. Ook bij de beschouwde silo bleek beneden een bepaald vulniveau geen schokgedrag meer op te treden.

Drukverlaging

Het was dus zaak om ook bij een volledig gevulde silo de verticale druk te verlagen tot onder de druk van dit kritische niveau. Dit bleek mogelijk door het inbouwen van een aantal tussenconussen. Uit een berekening volgde dat met inbouw van twee conussen met een hoogte van h=30cm, dan wel drie met h=22cm de druk voldoende kon worden teruggebracht. Gekozen werd uiteindelijk voor de inbouw van twee stuks waarna het systeem geen storende schokken meer vertoonde.
Zie Drukverlaging met behulp van tussenconussen.

Case 2: grondstofsilo met zware schokproblemen

Silo met broekstuk en twee uitlopen

Voor de opslag van diverse grondstoffen in een chemische industrie werd gebruik gemaakt van een aantal slanke silo’s met een opslagcapaciteit van circa 40 ton per stuk. Bij een aantal producten traden al bij een silovulling van 15 ton sterke schokken op en bij 20 ton was het schokniveau niet meer aanvaardbaar. Het verlagen van het drukniveau door inbouwen van een ontlastingsconus onderin de cilinder bleek nauwelijks te helpen. Besloten werd daarom tot een nader onderzoek naar oorzaak en oplossing van het probleem. De betreffende silo bestaat uit een cilindrisch bovendeel met een diameter van 2.5 meter en een hoogte van 6 meter, voorzien van een gecoate boventrechter die uitloopt in een broekstuk, zodat er met twee uitstroomopeningen ontstaan. Elke opening is voorzien van een trilgoot.

Hard stortgoed

Metingen aan het product dat de meeste schokken veroorzaakte wezen uit dat het een vrij hard materiaal met een niet al te hoge inwendige wrijving (35 graden) betrof, met een licht stick-slip gedrag zowel inwendig als t.o.v. het wandmateriaal. Op basis van de wandwrijving (24 graden) gemeten op de gecoate binnenwand van de trechter bleek dat een trechterhoek van 18 à 20 graden met de verticaal nodig zou zijn voor een goede massastroming.

Ongelijkmatige stroming

De bestaande hoek van boventrechter was 20 graden, dus op de grens. Dit zou (mede) oorzaak van de schokken kunnen zijn door de wisseling van massa- naar kernstroming en omgekeerd.
Dieper in de trechter treedt dit niet meer op omdat de uitlopen van het broekstuk steiler zijn. Ook bestond de mogelijkheid dat door ongelijk materiaal onttrekken via beide uitlaten een asymmetrische stroming ontstaat met de kans op instabiele tijdelijke zones. De praktijk wees echter uit dat er altijd schokken optraden, ook wanneer via beide uitlaten dezelfde hoeveelheid werd onttrokken.

Bewegingsruimte

Zoals hierboven uiteengezet, is ook bij zuivere massastroming schokvorming mogelijk doordat het stortgoed in de trechter dilateert (uitzet omdat er ruimte nodig is voor de beweging) hetgeen de massa in de cilinder de ruimte geeft om plotseling na te zakken. Deze schokvorming treedt voornamelijk op bij vrij harde materialen met een lage, inwendige wrijving. Het beschouwde product voldeed hier aan.

Mogelijke oorzaken

In feite bleven er twee mogelijke oorzaken over voor het schokgedrag. Namelijk:

1. het instorten van instabiele zones door een niet ideale massastroming en/of
2. door de dilatatie in de uitstroomtrechter.

Het schokgedrag werd daarbij mogelijk nog versterkt door het stick-slip effect van het product.

Oplossing

De oplossing moest dus worden gezocht in het aanpakken van deze genoemde mogelijkheden door een aanpassing van de silo waardoor:

• het massastroomprofiel wordt verbeterd in het bovendeel van de trechter
• het gebied waar dilatatie kan optreden wordt verkleind
• de zakking van de productmassa in de cilinder beheerst kan worden.

Inbouw

Na het bekijken van een aantal mogelijkheden kwam als bruikbare oplossing naar voren het ter plaatse van de overgang inbouwen van twee of meer concentrische ringen, elk voorzien van een dakvormige opbouw.
De hoeken van deze opbouw moeten wel voldoende steil zijn om massastroming te garanderen en de ruimte tussen de ringen groot genoeg om brugvorming te voorkomen.
Het voordeel van de inbouw is dat er veel minder ruimte voor dilatatie van het product is, met als gevolg ook minder ‘valruimte’ voor het bovenliggende materiaal in de cilinder. Bovendien wordt de druk op de rest van de trechter verlaagd zodat daar geen of weinig verdichting meer zal optreden.
Het nadeel is dat deze oplossing constructief nogal lastig is zodat uiteindelijk gekozen is voor een serie evenwijdige dakjes zoals aangegeven in de figuur.
Hoogte, helling en afstand tussen de dakjes werden zo gekozen dat een goede en ongestoorde massastroming kon worden verkregen. De dilatatie van het materiaal vindt nu alleen in de ruimtes tussen de dakjes plaats waardoor deze ruimte vele malen kleiner is dan in de oorspronkelijke situatie. De inbouw neemt verder een aanzienlijk deel van de verticale last op.

Het resultaat van de inbouw was dat, hoewel het schokgedrag nog niet geheel was verdwenen, het nu aanzienlijk verminderde en een vulling tot 35 à 40 ton nog acceptabel bleek.

Case 3: dagbunker voor kolen met feeder-problemen

Voor de tussenopslag van steenkool bij een kleine kolencentrale werd een silo gebruikt met een diameter van 3.5 meter en een cilinderhoogte van 8 meter. Onderaan de trechter was een uitdraagschroef aangebracht die het bulkgoed doseert naar de molen.
Vanaf de ingebruikname van de installatie traden bij bepaalde koolsoorten lichte schokken op. Deze schokken waren geen probleem voor de constructie of omgeving, maar ontregelden wel de dosering, zodat het proces zo nu en dan werd verstoord.

Controle van de silo en de schokkende koolsoorten wees uit dat er sprake moest zijn van een goede massastroming. Ook bij inspectie van bovenaf bleek een mooie gelijkmatige zakking van de kolen op te treden. Omdat het niet echt een probleem opleverde, werd er voorlopig maar niets aan gedaan.
Toen na enige tijd de slijtage van de trechterbekleding moest worden gecontroleerd, kwam de aap uit de mouw. Aan de voorzijde van de trechter, de kant dus waar de schroef de silo verlaat, was aanzienlijk minder slijtage opgetreden dan in de rest van de trechter. Dit wees dus duidelijk op een slecht werkende feeder die hoofdzakelijk materiaal aan de achterzijde onttrekt, met als gevolg (instabiele) dode zones aan de voorzijde.

Ontwerp uitdraagschroef

Aanpassing van de schroef door een variatie van de spoed en de diameter verbeterde het onttrekpatroon en daarmee bleken de schokken nagenoeg verdwenen.
Zie Ontwerp doseerschroef

Ontmenging van stortgoedmengsels - mechanismen

Invloedsfactoren, mechanismen en plaatsen waar segregatie op kan treden

Veel producten die in de procesindustrie worden verwerkt, zijn samengesteld uit diverse componenten die in een of meerdere stappen zijn gemengd tot een zo homogeen mogelijk materiaal. Helaas blijkt soms dat ergens in de loop van de volgende processen de samenstelling is gaan afwijken van de gewenste mengverhouding: er is kennelijk ergens segregatie (ongewenste ontmenging) opgetreden. Dit is niet alleen slecht voor de kwaliteit van het product zelf, maar kan ook de effectiviteit van de processtappen nadelig beïnvloeden.
In dit artikel wordt ingegaan op de mechanismen die ontmenging veroorzaken, de factoren die hierbij een rol spelen en de processen waar het kan optreden.

Globale indeling ontmenging: stoffig vs korrelig

Bij mengsels van identieke deeltjes kan per definitie geen ontmenging optreden. Ontmenging is een gevolg van het verschil in eigenschappen van de verschillende componenten of fracties in een mengsel. Het kan worden veroorzaakt door diverse mechanismen, waarbij ook de procesvoering een belangrijke rol speelt. Ontmenging kan optreden op verschillende plaatsen in een installatie. Met het oog op ontmenging kunnen mengsels globaal in twee groepen worden ingedeeld stoffige en korrelige mengsels

Stoffige mengsels

Mengsels met een groot aandeel fijne deeltjes die beïnvloed worden door luchtstromen, gedragen zich bij ontmenging heel anders dan mengsels die deze fijne fractie niet bevatten. Bij het storten van een stoffig mengsel in een silo (bijvoorbeeld zand en cement) komen de grote deeltjes relatief snel tot stilstand, terwijl de kleine deeltjes ('fines') nadwarrelen. Onder het stortpunt zal zich een overmaat grote deeltjes vormen (hiernaast, boven). Bij de ontmenging van stoffige mengsels speelt de beluchting - en meer in het algemeen de invloed van luchtstromen - een belangrijke rol.

Korrelige mengsels

Bij het storten van een korrelig mengsel zonder een significante stoffige fractie, bijvoorbeeld zand, bewegen de grotere deeltjes sneller en langer dan de kleine. De grotere deeltjes bewegen dus verder weg van het stortpunt, en bevinden zich dus voornamelijk aan de randen/wanden. Onder het stortpunt is dus een overmaat kleine deeltjes aanwezig.

Producteigenschappen van invloed op segregatie

Bij segregatie gaat het altijd om verschil in gedrag tussen grote en kleine deeltjes, of lichte en zware deeltjes. Belangrijk hierbij is de bewegingsvrijheid die de deeltjes krijgen, de snelheden die optreden en mogelijke luchtstromen. Van de deeltjes zelf zijn de volgende eigenschappen belangrijk:
- gemiddelde korrelgrootte
- spreiding van de korrelgrootteverdeling
- echte dichtheid (solid density) van de verschillende componenten
- inwendige wrijving en wandwrijving
- vorm van de deeltjes, elasticiteit, hardheid, brosheid
- cohesie en adhesie
- gevoeligheid voor vocht en temperatuur

Deze eigenschappen bepalen zowel het verschil dat in het gedrag van de afzonderlijke deeltjes kan optreden, als het totale stroomgedrag van het mengsel. Op basis van (het verschil in) deze eigenschappen is kwalitatief te voorspellen of het mengsel mogelijk zal ontmengen. Of en in welke mate dit zal optreden, hangt af van de processen die worden doorlopen.

Segregatieprocessen en mechanismen

Er bestaan verschillende processen waarbij scheiding van deeltjes kan voorkomen. Binnen deze processen kunnen vaak meerdere mechanismen optreden die worden veroorzaakt of versterkt door bovengenoemde producteigenschappen.

Storthoopsegregatie

Wanneer stortgoed van een zekere hoogte op een hoop wordt gestort, zal in veel gevallen een vorm van ontmenging optreden. Hierbij spelen meerdere mechanismen een rol. Door een verschil in deeltjesgrootte zullen de grotere deeltjes verder langs de helling van de hoop doorrollen dan de lichtere kleinere deeltjes. Dit komt enerzijds door de grotere kinetische energie van de grote deeltjes, anderzijds omdat de helling van de hoop ‘gladder’ is voor de grotere deeltjes dan voor de kleinere. Hierdoor zal onderaan de helling een groter percentage aan grote deeltjes worden gevonden. Wanneer hele lagen materiaal langs de helling van de hoop naar beneden glijden, zal een soort zeefmechanisme optreden waarbij kleinere deeltjes wegzakken in de ruimtes tussen de grotere en zich meer in het bovendeel van de helling afzetten. Bij grote verschillen in dichtheid van de deeltjes kan een vorm van verdringing optreden. De zware deeltjes drukken de lichtere deeltjes weg en blijven zelf meer boven in de hoop liggen.

Wanneer deeltjes met verschillende storthoeken achtereenvolgens op een hoop worden gestort, zullen de deeltjes met de grootste storthoeken wat meer in het centrum van de hoop blijven. De deeltjes met minder wrijving (lagere storthoek) zullen wat makkelijker naar beneden rollen of glijden en komen dus wat meer aan de buitenkant terecht.

Doorval in luchtige massa

Een wat omgekeerd effect kan optreden wanneer een mengsel dat vrij veel kleine deeltjes bevat, in een forse stroom op een hoop belandt. Door de ingesloten lucht kan dan een zekere mate van fluïdisatie optreden en de gefluïdiseerde lagen zullen langs de helling naar beneden stromen. Hierbij kunnen de grotere deeltjes door de stromende lagen heen zakken, terwijl de kleinere verder doorstromen. In dit geval vinden we dus juist meer de grotere deeltjes in het centrum.

 

Ontmenging van fines

Bij een vrije val van het stortgoed zullen de grootste deeltjes het snelst vallen. De fijne deeltjes vallen minder snel, en kunnen zelfs nog lang rondzweven als ze erg fijn en licht zijn. In een silo zal bij centrale vulling langs de wand een luchtstroom omhoog ontstaan. In deze stroom kunnen de fijnste deeltjes zelfs mee omhoog genomen worden. Na het terugvallen zal daardoor aan de wand een hogere concentratie fines bestaan.
Fijne deeltjes kunnen ook uit de silo verdwijnen, bijvoorbeeld als de ontwijkende luchtstroom elders wordt gefilterd.
Opmerking: vooral de buitenzijde van de productstroom wordt door de luchtstroom beïnvloed. Een kleinere productstroom heeft daarvan dus meer last. Daarom is het bij een lage toevoersnelheid beter het poeder batchgewijs toe te voeren.

Percolatie, ziften

Dit is het verschijnsel dat kleine deeltjes wegzakken tussen de grotere. Hiervoor is het wel nodig beweging van de deeltjes mogelijk is, bijvoorbeeld door trillingen tijdens het transport in trein of bulkwagen.
Wanneer een deel van massa over een ander deel stroomt, wordt dit type ontmenging ook wel aangeduid met de term 'ziften'.

In de praktijk leidt dit ertoe dat een talud dat lange tijd stil ligt en waar een productstroom overheen schuift, bijna zo hard kan worden als beton, omdat alle loze ruimte op een gegeven moment is opgevuld door fijne deeltjes.

 

Storthoekverschil

Ontmenging kan optreden als gevolg van een storthoek-verschil tussen de verschillende componenten of fracties. Het bulk materiaal met de grootste storthoek blijft het dichtst bij het stortpunt liggen; het andere glijdt verder weg.

Wigwerking

Het kan echter ook gebeuren dat de fines de grotere deeltjes naar boven werken. Men spreekt dan van wigwerking of opstuwen. Dit gebeurt alleen in mengsels of producten waar relatief veel fines aanwezig zijn. Het bed van fines moet sterk genoeg zijn om de grotere deeltjes te dragen. Verder is ook hier beweging noodzakelijk, bijvoorbeeld door trilling. Hoe groter daarbij de amplitude, des te sneller grotere deeltjes komen bovendrijven.

Dynamisch gedrag

Segregatie kan ook optreden als gevolg van het dynamisch gedrag van deeltjes. Wanneer onder een stortpunt (door ziften) een relatief dichte laag fines is gevormd, zullen de zwaardere en meer elastische deeltjes nog verder rollen en stuiteren. Fines worden 'gevangen' tussen de grotere deeltjes nabij het stortpunt ('insluiting').
Afhankelijk van de richting van storten en de vrijheid van glijden zullen verschillende profielen ontstaan. 'Lawines' leiden tot nog meer grotere deeltjes aan de buitenkant.

Attritie

Attritie (productbreuk) is niet echt een ontmenging-mechanisme, maar het leidt tot meer fines waardoor de verschillende typen ontmenging wel worden beïnvloed.

Plaatsen waar segregatie kan optreden

Segregatie kan in principe overal in een keten van processen optreden, maar er zijn wel een aantal plaatsen aan te wijzen waar de kans op segregatie groter is. Dit zijn altijd de plekken waar veel beweging in het product zal optreden.
Hiervoor zijn te noemen:

• Het optreden van vrije val van het product, bijvoorbeeld bij het vullen van een silo of reactievat, of het storten op een hoop. De verschillende deeltjes in een productstroom zullen afhankelijk van hun massa hun eigen trajecten volgen. Door horizontale snelheden bij het afstortpunt en eventuele luchtstromen wordt dit proces nog versterkt.
• Als vervolg hierop kan op het gevormde talud tevens storthoopsegregatie optreden.
• Beluchting of begassing van het product, indien het product moet worden gedroogd of wanneer een reactie met het doorstromende gas moet plaatsvinden. Hierdoor treedt meestal meer beweging of bewegingsvrijheid van de deeltjes op en kan ontmenging ontstaan.
• Beweging in het product door transportmiddelen. Deze beweging kan optreden door trillingen (bulkwagens, trein) maar ook door ontladingsapparatuur als schrapers en kettingtransporteurs.
• Beweging in het transport door het laten uitstromen van reactievaten en silo’s. Hierbij ontstaan diverse afschuifvlakken in het materiaal met zeer veel onderlinge bewegingen van de deeltjes. Afhankelijk van het type stroming zal hierbij al dan niet segregatie optreden.
• Bij diverse vormen van transport. Bij triltransporteurs is het duidelijk dat veel beweging aan het product wordt opgelegd. Maar ook bij bandtransport is segregatie heel goed mogelijk. Hoewel het materiaal op een band schijnbaar rustig ligt, heeft bij het passeren van de steunrollen een behoorlijke beweging in het materiaal plaats waardoor zowel percolatie als verdringing kan optreden en de fijne deeltjes onderin terechtkomen. Verder zal op de overstortpunten een vorm van vrije val optreden.

Mogelijke problemen als gevolg van segregatie

Behalve de algemene kwaliteitsvermindering van het product, kan segregatie nog een aantal problemen opleveren:

• verandering van het stromingsgedrag van het product waardoor wijzigingen kunnen ontstaan in het stromingspatroon in een silo, mogelijke variaties in de wandbelastingen en problemen met de regeling van het uitstroomdebiet.
• dichtheidsvariaties in de vulmassa waardoor de contacttijden van doorstromende gassen of vloeistoffen niet meer homogeen zijn.
• bij afwijking van massastroming treden mogelijk grote variaties in de verblijftijden van delen van de vulmassa op.

Het vermijden of verminderen van segregatie

Indien een gemengd product gevoelig blijkt voor segregatie, is een aantal maatregelen mogelijk om dit te voorkomen dan wel te verminderen. In zijn algemeenheid kan men stellen dat wijzigingen mogelijk zijn op drie gebieden:

• Wijziging van de productdeeltjes of eigenschappen. Te denken valt hierbij aan het vergroten van de samenhang (cohesie) tussen de deeltjes door ze te verkleinen (malen), te bevochtigen of te paneren. Ook het verkleinen van de verschillen tussen de deeltjes is soms mogelijk door het aanpassen van het maalproces of het verwijderen van de kleinste en/of de grootste fracties.
• Wijziging van de processen of de procesvolgorde. Mogelijkheden kunnen hier zijn het in een zo laat mogelijk stadium mengen van de productcomponenten, toepassen van een tussenstap met homogenisatie, het voorkomen van onnodige tussenopslag na het mengen en zo mogelijk meer batchgewijs werken.
• Een soms toegepaste mogelijkheid is om het product direct na het mengen te pelleteren (pelletiseren; tot pellets persen), zodat geen ontmenging meer kan optreden. Dit is wel een dure oplossing die alleen zinnig is indien zeer hoge eisen aan het mengsel worden gesteld. Soms is dit gewoonweg niet toepasbaar omdat het product poedervormig moet blijven, bijvoorbeeld bij katalysatoren.

  

• Wijziging of aanpassen van de installatie zelf. Hierbij zijn aan de orde het zorgen voor goede vul- en leegmechanismen, waar mogelijk massastroming in de opslagsilo’s toepassen, en het vermijden van veel bewegingsruimte voor het product door snelheden bij overstorten zo laag mogelijk te houden.

Ontmenging in silo’s nader bekeken

Segregatiegedrag en mogelijke oplossingen

Bij het verwerken van een droog mengsel van diverse componenten blijkt soms dat ergens verderop in het proces de samenstelling is gaan afwijken van de gewenste mengverhouding. Er is kennelijk ergens segregatie (ongewenste ontmenging) opgetreden. Hierboven werd vermeld dat de silo een plaats is waar ontmengingop kan treden. Daarom dat hier het segregatiegedrag in silo’s en maatregelen om deze ontmenging te voorkomen of te verminderen worden behandeld.

Zoals eerder beschreven kan ongewenste ontmenging van een gemengd product optreden wanneer er verschillen zijn in de eigenschappen van de aanwezige componenten in het mengsel. De belangrijkste hierbij zijn de verschillen in deeltjesgrootte of deeltjesgewicht van de afzonderlijke fracties. Of ontmenging daadwerkelijk zal optreden, hangt af van de mechanismen die op verschillende plaatsen in een productieproces kunnen optreden. Een bekend probleem is de ontmenging in een silo. Hierbij gaat het voornamelijk om horizontale ontmenging waarbij de samenstelling van het mengsel in het centrum anders is dan aan de wand. Soms blijkt ook verticale ontmenging op te treden, waarbij dan horizontale lagen ontstaan waarvan de samenstelling per laag anders is.
Om ontmenging bij silo-opslag tegen te gaan, zal eerst moeten worden vastgesteld waar en waardoor de ontmenging optreedt. Dit kan namelijk zowel bij het vullen, tijdens de opslag als bij het weer onttrekken van materiaal aan de silo optreden.

Ontmenging tijdens het vullen

Bij het vullen van een silo treedt meestal een vrije val van de productstroom op. Hierbij vallen de afzonderlijke deeltjes min of meer onafhankelijk van elkaar en worden de valwegen van de deeltjes hoofdzakelijk bepaald door hun massa, grootte en vorm. Deeltjes met dezelfde eigenschappen zullen dan ook ongeveer dezelfde banen beschrijven en dus ook dicht bij elkaar op het onderliggende stortgoed terechtkomen zodat door het valgedrag al een zekere ontmenging kan optreden. Belangrijk hierbij is de valhoogte: hoe groter de valhoogte, des te meer de deeltjes hun eigen banen volgen en dus tot segregatie leiden. Wanneer de deeltjes bij het in de silo brengen ook nog een horizontale snelheid hebben wordt dit proces nog versterkt. Bij het bereiken van de onderliggende stortgoedlagen, kan storthoopsegregatie optreden. Daarbij spelen verschillende mechanismen een rol.

Er zijn hierbij een aantal lagen langs de storthelling te onderscheiden:

• de bovenlaag: hier kunnen grotere deeltjes stuiteren en rollen.
• een tussenlaag waar fines tussen grotere deeltjes dringen.
• het statische product: fines uit de tussenlaag kunnen eventueel nog hierin doordringen.

Afhankelijk van de richting van storten en de vrijheid van glijden zullen verschillende profielen ontstaan.

Korrelig product

Door het continu storten op een hoop zullen van tijd tot tijd ‘lawines’ optreden. Door dit effect komen veel van de grotere deeltjes die nog redelijk in het centrum lagen, alsnog aan de buitenkant terecht. In doorsnede ontstaat nu een soort kerstboom.
Bij een kleine productstroom met een langzame en meer geleidelijke opbouw van het talud treden minder vaak lawines op.

Stoffig product

Wanneer een product veel kleine deeltjes bevat (kleiner dan 5/100 mm) kan bij het vullen ook ontmenging optreden tengevolge van opgewekte luchtstromingen. In dat geval worden de kleine deeltjes meestal door de bewegende lucht uit het centrum meegenomen en weer aan de wanden (waar de lucht van richting verandert) afgezet.
Bij pneumatische vulling vindt veel luchtcirculatie plaats waarin kleine deeltjes kunnen blijven zweven. Bij het stoppen van het vulproces slaan ze neer op de bovenlaag van het product, zodat verticale ontmenging optreedt. Schoonkloppen van filters na het vullen zal dit proces nog versterken.
Ook bij het beluchten van een product kan verticale ontmenging ontstaan doordat grotere en/of zwaardere deeltjes in de beluchte massa wegzakken.

Maatregelen ter voorkoming

Er zijn diverse maatregelen mogelijk om ontmenging bij het vullen te verminderen. Hierbij is het belangrijk dat men een goed idee heeft welk type ontmenging hoofdzakelijk optreedt ten einde de juiste methode te kiezen.
Bij het optreden van vrije val en storthoop-segregatie is het aan te bevelen om de valhoogtes te beperken en het product zoveel mogelijk over het oppervlak te spreiden zodat meerdere maar veel kleinere taluds worden gevormd. Hierbij kan gebruik worden gemaakt van meerdere vulopeningen of vulpijpen, spreidplaten of een spreidkegel, danwel roterende goten of pijpen.
Een excentrisch roterende plaat of kegel biedt bovendien het voordeel dat het materiaal op variërende afstanden van het centrum wordt losgelaten.

Rotary spreader

Een aardig voorbeeld van een toepassing die een aantal van deze mogelijkheden combineert is de zogenaamde rotary spreader, zie figuur hiernaast.

Telescopische stortpijp

Bij makkelijk ontmengende producten (bijvoorbeeld door het wegwaaien van een belangrijke fijne fractie) is de enige doeltreffende manier ontmenging te voorkomen het materiaal via een telescopische stortpijp toe te voeren. Tijdens het vullen daalt deze pijp langzaam af tot het talud of de bodem van de silo is bereikt. Daar wordt het stortgoed 'neergelegd' terwijl de pijp langzaam omhoog (of horizontaal) weg beweegt. Dit is wel een dure oplossing die alleen bij sterk stuivende of breukgevoelige materialen wordt toegepast.

Ontmenging tijdens opslag

Tijdens opslag is het product meestal in rust en zal geen ontmenging optreden.
Net na het vullen kan het voorkomen dat er nog enige beweging optreedt, het product ‘werkt’. Het kan inklinken of uitzakken. Onder invloed van ontluchting en trillingen kan het ontmengen, maar meestal zijn snelheden zo laag en luchtstromen zo klein, dat ontmenging niet op zal treden.
Sterk beluchte poeders kunnen tijdens het ontluchten wel voldoende beweging en ruimte krijgen om te ontmengen. Wanneer er lucht wordt ingeblazen -- 'om de stroombaarheid van het bulk materiaal te bevorderen' -- is de kans zeer groot dat fijne deeltjes naar boven worden geblazen, en uit de matrix van grotere korrels worden gespoeld. Dit leidt soms inderdaad tot beter stroombaar product, omdat alleen grotere deeltjes beter stromen dan een mengsel van grotere en kleinere deeltjes.

Ontmenging tijdens leegstromen

Tijdens het leegstromen van een silo kan ook ontmenging optreden maar het is net zo goed mogelijk dat tijdens het leegstromen weer hermenging optreedt van een tijdens vullen ontmengd product.
Wat er gebeurt is afhankelijk van het stromingspatroon dat optreedt: massastroming of kernstroming.

Ontmenging bij kernstroming

Bij het vullen van een silo ontstaat een productkegel met de punt omhoog. Als er bij het uitstromen sprake is van kernstroming stroomt de kern eerst uit. Er onstaat dan rondom een talud waarlangs het stortgoed vanaf de wand naar het centrum stroomt.
Over het algemeen zal het eerste product dat uitstroomt een overmaat kleine deeltjes bevatten. Daarna is er een gebied waarbij een redelijk goed gemengd/homogeen product wordt gevonden. Het laatste product uit de silo zal een overmaat grote deeltjes bevatten.
N.B. Tijdens het uitstromen kan langs de hellingen van de wand naar het centrum ontmenging (percolatie/ziften) optreden. Dit verstoort het profiel, zodat de samenstelling van het uitgestroomde product nog onvoorspelbaarder wordt. Ook tussentijds bijvullen levert meer onzekerheid.

Ontmenging bij massastroming

Bij het legen van een silo wordt in het algemeen gestreefd naar massastroming. Niet alleen vanwege het principe van ‘first in first out’, maar ook om ontmenging te voorkomen of te herstellen. Bij massastroming zakken immers alle deeltjes met ongeveer dezelfde snelheid naar beneden. Eenmaal in de trechter zal de fractie aan de wand zich vermengen met de fractie in het midden. Zo wordt de horizontale ontmenging, ontstaan bij het vullen, weer grotendeels teniet gedaan.
Voor een goede massastroming is een voldoende vulhoogte in de silo een voorwaarde. Bij een lagere vulling zal de kern sneller uitstromen.

Kernstroming omzetten in massastroming

Voor het geval van problemen met ontmenging door kernstroming, zijn er een aantal opties om massastroming te verkrijgen:

• Er kan een steilere trechter worden toegepast, of de wandwrijving kan worden verlaagd door een geschikte coating of bekleding.
• Een ronde trechter kan worden omgezet in een wigvormige trechter. Dit type trechter heeft voor massastroming een minder steile hoek nodig. Wel dient over de volle opening materiaal te worden onttrokken door aangepaste losapparatuur.
• Er kan een insert worden ingebouwd die de stroming omzet naar een vorm van vlakke stroming. De inbouw van deze inserts is echter nogal kritisch betreffende vorm en plaats.

Onttrekken op meerdere punten

Ontmenging tijdens het legen kan in sommige gevallen worden tegengegaan door het product op meerdere punten aan de silo te onttrekken. Een vaak toegepaste methode is het maken van een aantal trechteropeningen van waaruit het materiaal naar één verzamelpunt onder de silo stroomt. Een andere mogelijkheid is om in de silo verticale pijpen aan te brengen met toevoergaten op diverse hoogtes zodat het product vanaf meerdere plekken naar de uitstroomopening wordt gevoerd.
Toepassing hiervan is alleen geschikt voor goed stromende producten, zodat geen verstoppingen op kunnen treden. In principe is dit een systeem waarbij verschillende lagen worden gemengd zodat verticale ontmenging wordt bestreden. Bij minder goed stromende producten is het risico op een vorm van kernstroming, met bijbehorende nadelen, groot.

Verticale ontmenging

Meestal is er bij segregatie in een silo sprake van zogenaamde 'horizontale ontmenging', veelal veroorzaakt door of tijdens het vulproces. In sommige gevallen kan er ook sprake zijn van 'verticale ontmenging'. Hierbij zijn dan in een silo horizontale lagen aanwezig die ten opzichte van elkaar verschillen in samenstelling.

Oorzaken van verticale ontmenging

Oorzaken buiten de silo

• Het proces veroorzaakt een ongelijkmatige deeltjesverdeling in de tijd
• Tijdens transport, bijvoorbeeld op de een transportband, overstort of in een bulkwagen is ontmenging is opgetreden

Fenomenen in de silo

• Het vallen van zwaardere of grotere deeltjes in een nog luchtige massa vlak na het vullen.
• Bij batch-gewijs vullen: fijne deeltjes die een laagje bovenop vormen, omdat ze in de lucht rondzweven of uit het filter worden geklopt.
• Wanneer er, bijvoorbeeld door trillingen, voldoende bewegingsruimte is voor percolatie of wigwerking, waardoor kleine deeltjes naar onderen bewegen.
• In geval van beluchting: als kleine, lichte deeltjes naar boven worden geblazen.

Oplossingen bij verticale ontmenging.

Het moge duidelijk zijn dat massastroming (first-in, first out) niet voor hermenging zal zorgen als sprake is van een verticale ontmenging, omdat dan alleen horizontale lagen hierbij opnieuw worden gemengd. De oplossing zal daarom moeten worden gezocht in een vorm van mechanische menging of het op meerdere verticale plaatsen tegelijk onttrekken van materiaal. Dit laatste kan gebeuren door bijvoorbeeld een aantal verticale pijpen met diverse instroomopeningen in de silo aan te brengen. Dit is een veel toegepaste methode bij plastic pellets om verschillende productiebatches te mengen. Een elegante oplossing kan ook zijn het verdelen van de silo in een aantal compartimenten door het aanbrengen van verticale verdeelschotten die tot bijna onderin de silo doorlopen. Deze compartimenten worden bij het vullen van de silo opeenvolgend gevuld maar stromen bij het onttrekken van materiaal aan de silo wel gelijktijdig leeg zodat menging van de inhoud van de verschillende compartimenten plaatsvindt.

N.B. Bij het inbouwen in een silo van pijpen, wanden, of wat voor constructies dan ook, moet rekening gehouden worden met (zeer) grote belastingen!

Stromingspatroon en ontmenging

Experimenteel onderzoek van ontmenging bij verschillende trechtervormen

Aan de technische universiteit in Braunschweig is experimenteel onderzoek verricht naar de invloed van het stromingspatroon op de ontmenging van een mengsel van kalksteen. Hierbij kwamen twee fracties kalksteen, met een gemiddelde deeltjesgrootte van 0,3 mm resp. 1,1 mm, goed gemengd in een testsilo terecht via een enkelvoudige toevoer. Tijdens het vulproces trad ontmenging van het mengsel op waardoor het product aan de silowanden een groter aandeel van het grovere materiaal bevatte.

De silo was in eerste instantie voorzien van twee verwisselbare trechters, met een halve tophoek van respectievelijk 60° en 38°. Beide trechters waren onvoldoende steil voor massastroming zodat kernstroming optrad. Tijdens het uitstromen werden geregeld monsters genomen en werd het aandeel van de fijne fractie gemeten. Dit aandeel van de fijne fractie bleek tijdens het legen van de silo terug te lopen van circa 75 procent naar circa 30 procent.

Er bleek dus duidelijk dat bij het uitstromen de ontmengde massa niet weer werd gemengd. De fijnere fractie (uit de kern van de silo) stroomde eerder uit dan de grovere fractie (meer vanuit de buitenkant). Dit resultaat toont dus precies wat je bij ontmenging in een kernstroomsilo kunt verwachten. Vervolgens werd de trechter vervangen door een steilere, halve tophoek ca 10°, waarbij duidelijk massastroming moest optreden.

De metingen tijdens uitstroming toonden nu aan dat tijdens bijna de gehele uitstroming het aandeel van de kleine fractie circa 50 procent bedroeg. De opgetreden ontmenging tijdens het vullen, is door de massastroming dus weer hersteld. Alleen in de laatste fase van de uitstroming nam de fijne fractie wat toe en daarna weer af. Dit wordt veroorzaakt doordat bij geringe vulling de massastroming overgaat in een vorm van kernstroming.

In verder onderzoek werd weer de kernstroomtrechter van 38° gebruikt, maar werd massastroming bereikt door het inbouwen van een kegel of een extra trechter. Ook deze methoden bleken tot een aanzienlijke verbetering van het ontmengprobleem te leiden. De onderzoekers merken hierbij overigens op dat het ontwerpen van een inbouwkegel of extra trechter zowel qua plaats als afmetingen een lastige zaak blijft.

De resultaten van de verschillende metingen zijn weergegeven in de figuur hierboven, waarbij per silogeometrie is aangegeven in hoeverre het uitgestroomde product aan de eisen voldoet. Uit dit onderzoek blijkt duidelijk dat eventueel opgetreden ontmenging bij vullen door massastroming ongedaan wordt gemaakt, zodat het uitgestroomde product voldoet aan de eisen.
De wijze waarop massastroming wordt bereikt, rechtstreeks door de juiste trechterhoek, of indirect via het inbouwen van inserts, heeft hierbij wel invloed: bij inserts is het moeilijk constante, goede hermenging te bereiken.

Twee cases met ontmenging in silo's

Massastroming om ontmenging in silos op te lossen

Stapsgewijze analyse

Ontmengproblemen komen helaas nog al te vaak voor in de praktijk en kosten naast tijd en geld meestal een boel ergernis. In het algemeen is het hierbij zaak om stapsgewijs een goede analyse te maken van de hele keten waarin het probleem optreedt en hieruit vast te stellen waar en waardoor het ontmengen optreedt. Pas dan is het mogelijk om adequate maatregelen te nemen. Speciaal in het geval van verticale ontmenging moet hierbij ook het voortraject (bv het aanvoertransport) worden meegenomen omdat het product soms al in ontmengde toestand het bedrijf blijkt binnen te komen.

Tegengaan van ontmenging

Voor het minimaliseren van het ontmengen tijdens silo-opslag zijn er in principe drie mogelijkheden:

1. het veranderen van de neiging tot ontmengen van het stortgoed zelf, bijvoorbeeld door een kleiner verschil in grootte van de deeltjes, en/of een wat grotere cohesie.
2. het verminderen van de ontmenging tijdens het vullen van de silo door meervoudige vulmechanismen, waardoor grote stortkegels/lange taluds worden voorkomen.
3. aanpassing van het uitstroomgedrag waarbij de opgetreden ontmenging door hermenging weer grotendeels wordt hersteld.

Eenmaal opgetreden horizontale ontmenging kan vaak worden opgelost door ervoor te zorgen dat bij het uitstromen van de silo een goede massastroming optreedt zodat er opnieuw menging plaatsvindt. In beide hierna beschreven cases is van dit principe gebruik gemaakt, hoewel de toegepaste oplossing verschillend is.

1. Ontmengproblemen bij mengsels voor wegenverf

In deze case werd een mengsel, bestaande uit een poeders (pigmenten en vulstof), fijne glasparels, bolletjes minerale olie en bindmiddel in korrelvorm (van ca. 3 tot 5 mm) via een vulsilo afgezakt. Helaas bleek dat na het afzakken geregeld partijen moesten worden afgekeurd omdat de hoeveelheid bindmiddel niet aan de specificaties voldeed. Er moest dus ergens in de keten ontmenging zijn opgetreden.

De mengsels werden homogeen gemengd en via een transportband naar een vulsilo getransporteerd. Vanuit deze silo werd het product via een doseerband naar een afzakmachine geleid. Nader onderzoek wees uit dat ontmenging in de vulsilo moest zijn gebeurd. Tijdens het vullen van de silo kwamen de grotere deeltjes (het bindmiddel) meer aan de buitenkant in terecht. Deze segregatie werd kennelijk bij het uitstromen niet meer hersteld.

Besloten werd om het stromingspatroon indien mogelijk te wijzigen in een goede massastroming door aanpassing van de silogeometrie. Randvoorwaarde hierbij was dat de inhoud van de silo niet kleiner mocht worden en de totale hoogte niet groter mocht worden om aanpassingen in de rest van het proces te voorkomen. Om te bepalen welke trechterhoek nodig was voor massastroming, zijn van het product de inwendige en wandwrijving gemeten met een Jenike sheartester. Hieruit bleek dat een trechterhoek (met de verticaal) van een ronde trechter 16 graden zou moeten zijn. De bestaande trechter had een hoek van 28 graden, en was daarmee lang niet steil genoeg voor massastroming.

Een hoek van 28 graden zou genoeg zijn bij een wigvormige trechter. Dit was echter niet aantrekkelijk omdat er dan een langwerpige opening met een lengte van 1,15m zou ontstaan, zodat een speciale uittrekschroef [verwijzing] (die over de volle lengte product onttrekt) benodigd zou zijn. Vanwege slechte ervaringen met schroeven voor de gebruikte mengsels was nou juist gekozen voor een ronde uitstroomtrechter met centrale uitstroming. Maar de benodigde trechterhoek van 16 graden zou bij de gevraagde inhoud tot een veel te hoge silo leiden.

De oplossing was hier dat door het inbouwen van een extra trechter in de trechter de benodigde hoek van de buitentrechter bijna kon worden verdubbeld. Uiteindelijk is gekozen voor het inbouwen van twee binnentrechters waardoor de buitentrechter met een hoek van 36 graden nog een betrouwbare massastroming oplevert. Dit systeem is op laboratoriumschaal getest. Ook in de praktijk bleek tot ontmenging tot een aanvaardbaar niveau te zijn teruggedrongen. De oorspronkelijke opstelling en het aangepaste ontwerp zijn weergegeven.

2. Ontmenging van zand-turf mengsels

Het tweede voorbeeld betreft een mengsel van zand en gemalen turf dat moest worden afgezakt. Tengevolge van het vullen bleef de wat zwaardere en kleinere zandfractie meer in het centrum, de wat lichtere en grovere turfdeeltjes hadden een grotere concentratie aan de silowand, zie links in figuur.

De uitlooptrechter van de silo was in principe steil genoeg voor massastroming maar de uittrekschroef verknoeide hier de boel. Deze schroef was met standaard as en spoed uitgevoerd en bleek het materiaal voornamelijk aan de achterzijde aan de silo te onttrekken met als gevolg dat er geen massastroming zodat de ontmenging, veroorzaakt door het vullen, niet ongedaan werd gemaakt.

De oplossing was een aanpassing van de as en de spoed van de schroef, zie ontwerp doseerschroef, zodat product werd onttrokken over de gehele lengte van de opening. Hierdoor was massastroming weer gegarandeerd, en voldeed het uitgedragen product weer aan de specificaties.

Inbouwelementen in silo's: functies

Verschillende doelen van inserts - elementen ingebouwd in silo’s

Bij het ontwerpen of renoveren van een silo voor de opslag van stortgoed moet vaak aan een groot aantal procesvoorwaarden worden voldaan. Wanneer bijvoorbeeld de bouwhoogte gering is, kunnen inbouw-elementen een oplossing bieden om de werking van de silo verbeteren. Deze elementen worden in het vakgebied meestal aangeduid als inserts.

Procesvoorwaarden

In ieder geval moet het gewenste stromingspatroon in de silo optreden. Meestal is dat massastroming met het een “First-in-First-out”-principe. Verder zal vaak ontmenging moeten worden voorkomen, zal de uitdraagapparatuur een ongestoorde uitstroming moeten garanderen, zullen geen hinderlijke trillingen of stoten mogen optreden en moet de silo zonder problemen de optredende belastingen kunnen doorstaan.

Doel en werkingswijze

Inserts in silo’s worden om allerlei redenen toegepast. In principe zijn het inbouwelementen die met een specifiek doel het stroomgedrag van het materiaal en/of het spanningsverloop in de silo gunstig beïnvloeden. De voornaamste redenen om inserts toe te passen zijn:

1. Bevordering van een massastroomprofiel
2. Voorkoming van ontmenging
3. Homogeniseren
4. Drukverlaging
5. Uitstromingsbevordering
6. Siloversteviging

1. Inserts voor massastroming

Bij het stromen van bulkgoed in een silo kunnen in principe twee hoofdtypen stroming optreden, kernstroming of massastroming. Bij massastroming is de hele massa in de silo in beweging zo gauw materiaal wordt onttrokken. Er treden dus geen dode zones op met kans op bederf of veroudering. Er is sprake van “First-in-First-out”. Eventuele bij het vullen opgetreden horizontale ontmenging wordt weer hersteld bij het uitstromen van het product.

Bij kernstroming treedt slechts stroming op in interne stroomkanalen die in het materiaal ontstaan. Dode zones kunnen lang blijven bestaan, er is geen “First-in-First-out”, en eventuele ontmenging wordt (meestal) niet hersteld. Vanwege de gunstige eigenschappen wordt ook meestal voor massastroming gekozen. Maar daarvoor is een vrij steile, gladde uitstroomtrechter nodig. Deze moet soms zo steil zijn dat het constructief niet meer haalbaar is. In dat geval, en ook wanneer een bestaande silo een niet voldoende trechter heeft, kan inbouw van een extra kegel of trechter uitkomst bieden.

Inbouwkegel

Bij ronde of vierkante silo’s, waarin axiaalsymmetrische stroming plaatsvindt, is het mogelijk door inbouwen van een geschikte kegel (met de punt omhoog) de stroming aan te passen in de richting van vlakke stroming (zie figuur). Daardoor kan ook bij een minder steile conus nog massastroming optreden. Voorwaarde is natuurlijk wel dat de trechter steil genoeg moet zijn om bij een vlak stromingsprofiel massastroming te laten ontstaan. Daarbij is het zeer aan te bevelen een veiligheidsmarge aan te houden, omdat de stroming rond de kegel niet 100% voldoet aan vlakke stroming. Zie de figuur hieronder. Bij de bestaande waarden van wandwrijving, inwendige wrijving en trechterhoek, zal in de ronde trechter kernstroming optreden (punt A, links). Bij een vlak stromingsprofiel vallen deze waarden nog in het massastroomgebied (punt A rechts).

Inbouwtrechter (trechter-in-trechter-concept)

Een andere mogelijkheid is het cone-in-cone concept, waarbij een extra trechter wordt aangebracht in de trechter van de silo. Het is zelfs mogelijk dit tweemaal te doen. De binnenste trechter moet een voldoende steile helling voor massastroming hebben. De ingesloten hoek van de buitentrechter mag dan bijna tweemaal (of driemaal) zo groot zijn. Niet helemaal, omdat de stroming niet geheel vertikaal is, moet een marge worden aangehouden. Omdat de binnentrechter(s) gewoon gevuld zijn met product, is er minder verlies van opslagvolume. Zie de case over wegenverf voor een beschrijving van een praktijksituatie waar dit concept is toegepast.

Vaststellen van afmetingen

Alle hiervoor genoemde inbouwconussen kampen met het probleem dat afmetingen en plaatsing voor een optimaal effect moeilijk zijn te voorspellen. Numerieke simulaties en (beperkt) experimenteel onderzoek hebben aangetoond dat de enkele en dubbele conus vrij hoog moeten worden ingebouwd, dus dichter bij de overgang cilinder/conus dan dieper in de conus. Wel dient de grootste diameter van de insert zich altijd in de trechter te bevinden.

2. Inserts om ontmenging bij vullen te vermijden

Producten met een gemengde samenstelling en variatie in korrelgrootte en/of korrelgewicht kunnen al tijdens het vullen van de silo ontmengen.
Zie Ontmenging in silo’s nader bekeken.

Korrelige producten

Ontmenging (segregatie) vindt vooral plaats indien tijdens het vullen lange hellingen ontstaan. Langs een dergelijke helling zullen de grotere (cq zwaardere) deeltjes lager op de helling terechtkomen. Omdat de kleinere (lichtere) deeltjes wel hoger op de helling blijven liggen, treedt ontmenging op.

Dit kan worden tegengegaan door op meer plaatsen te vullen zodat meerdere kleinere storthopen ontstaan met navenant kleinere hellingen en minder ontmenging. Een alternatief is op één plaats vullen maar de toevoerstroom scheiden in meerdere kleine, verdeelde stromen door het inbouwen van een of meer verdeelsystemen. Hiervoor zijn in de loop der tijd diverse varianten bedacht. Vaak ook volstaat het aanbrengen van een of meer goed gepositioneerde verdeelkegels, zogenaamde Chinese hoedjes.

Fines

Bij een mengsel met een zeer fijne fractie treedt een ander mechanisme op. De fines komen door de optredende luchtstromen voornamelijk aan de wand terecht.
Om dit te voorkomen zijn proeven gedaan met pijpen met gaten op verschillende diepte. Gebleken is dat de gaten moeten worden afgedicht om ongewenste luchtstromen te vermijden. Om deze kleppen zo te maken dat ze goed gesloten blijven, maar wel opengaan als het nodig is, is zeer lastig. Bovendien: wanneer de fines bovenop de massa terecht komen, resulteert dat in verticale ontmenging die door een verdeelmechanisme niet is te voorkomen noch door massastroming is op te heffen.

3. Inserts om te homogeniseren

Soms is het bulkgoed in de silo niet overal hetzelfde door bijvoorbeeld fluctuaties in het proces. Om dan toch een zo homogeen mogelijk materiaal aan de silo te onttrekken, kan op meerdere plaatsen tegelijk materiaal worden onttrokken. Een alternatief is snelheidsverschillen in de uitstroming aan te brengen zodat een menging wordt verkregen van verschillende lagen. Zie de figuur voor twee voorbeelden van het inbouwen van inserts in de siloconus die moeten zorgen voor vrij grote verticale snelheidsverschillen tussen het centrum en de meer naar buiten gelegen delen. Omdat de mengwerking hier grotendeels in en vlak boven het hoppergedeelte plaatsvindt, zal voor slanke hoge silo’s de menging niet optimaal zijn.

Daar past beter het inbouwen van één of meerdere verticale pijpen over de nagenoeg volle hoogte van de silo voorzien van openingen die het materiaal op diverse hoogtes aan de silo onttrekken.
De constructie van de openingen in de pijp moet zodanig zijn, dat het product in de pijp toestroming van lagere niveau's niet belemmerd.

Bij deze systemen geldt dat de eerste hoeveelheid die wordt onttrokken nog niet homogeen zal zijn. Om dat te bereiken is recirculatie van de inhoud nodig.
Er zijn ook systemen voor homogenisering waarbij interne recirculatie wordt toegepast om voldoende menging te bereiken. Dit kan via een centraal ingebouwd pijpsysteem waarbij het materiaal op diverse plaatsen in de pijp stroomt en mechanisch of via een luchtstroom naar boven wordt getransporteerd. Daar komt het dan weer op het oppervlak van het opslagmateriaal terecht. Voor goede mengwerking is het nodig dat er gebieden ontstaan met verschillende stroomsnelheid, én dat de hele massa in beweging is.
Een andere manier om te hermengen, betreft compartimentering. Dit kan door over de silohoogte een aantal verticale interne scheidingswanden aan te brengen. Hierdoor ontstaat een aantal afzonderlijke compartimenten die onder in de conus weer bij elkaar komen. Bij het vullen moeten de segmenten niet gelijktijdig maar achtereenvolgens worden gevuld. Door bij het leegstromen wel weer gelijktijdig materiaal aan de compartimenten te onttrekken, ontstaat menging van het product.

4. Inserts voor drukverlaging

Hoge drukken die in grotere silo’s kunnen optreden, leiden soms tot ongewenste beschadiging van het opslagproduct, teveel samenhang (plakgedrag) of tot trillingen en stoten van de silo. Verlagen van de druk in de silo is dan nodig. Dit is mogelijk op verschillende manieren: verhogen van de wandwrijving door een geschikte coating, het inbouwen van drukopnemende elementen. Het plaatsen van één of meer tussenwanden in de cilinder is een zekere, maar zeer ingrijpende oplossing. Zie de casebeschrijving drukverlaging met tussenwanden.
Het aanbrengen van één of meer tussenconussen aan de wand van de cilinder is meestal het meest zeker, constructief goed haalbaar en verstoort de (massa)stroming niet. Zie de casebeschrijving drukverlaging met tussenconussen.

Soms is de totale massa in een silo zo groot, dat drukverlaging geen voldoende oplossing kan bieden. In dit soort situaties kan een centrale ontlastingspijp in de silo een oplossing zijn. Product wordt door de pijp onttrokken. Door eenvoudige gaten in de pijp te maken (zonder afdakjes), zal stortgoed in de pijp de gaten blokkeren voor toestroming van lager gelegen produkt. Op die manier zijn alleen de bovenste gaten actief, en stroomt de silo van bovenuit leeg. Er is dan natuurlijk geen sprake van first-in, first-out.

5. Inserts om uitstroming te bevorderen

Er zijn twee groepen inbouwelementen te onderscheiden die als doel hebben de uitstroming te verbeteren.

Directe werking

Flow promotion, flow promotors. Deze inserts zijn in de conus of aan de conuswand gemonteerde elementen die moeten zorgen dat het (meestal slecht stromende) stortgoed in beweging komt. Te noemen zijn: messen, zwaarden, roerwerken, zoals trillers, schrapers en woelers.

Voor drukverlaging

De tweede groep inserts verzekert van een goede werking van het uittrekmechanisme door de verticale druk hierop te verminderen. Denk bijvoorbeeld aan een trilbodem die rechtstreeks of via een vrij korte conus onder het cilindrisch deel van de silo is aangebracht. Om uitstroomproblemen door de hoge druk op de trilbodem te voorkomen, helpt het aanbrengen van een schotelvormige plaat boven de trilbodem die een fors deel van de druk opneemt.

6. Inserts voor versteviging van de silo

Inserts voor versteviging van een silo komen meestal voor bij wat grotere silo’s met een rechthoekige dwarsdoorsnede. Om de spanwijdte van de lange wanden te verkleinen en daarmee ook de uitbuiging te verminderen, wordt soms ter ondersteuning van de wanden gebruik gemaakt van trekstangen of trekkabels die dwars door de silo worden aangebracht.

Omdat deze inserts zich in het opgeslagen bulkgoed bevinden, beïnvloeden ze zowel de stroming als de belastingen op de silowanden en in het stortgoed zelf. Omgekeerd zal de insert belast worden door het stortgoed, zowel bij stilstand van de massa in de silo, als tijdens stroming. Deze belasting laat zich vaak moeilijk voorspellen, maar blijkt gezien het feit dat er nog al eens schade optreedt, vaak te worden onderschat. Meer hierover in het volgende hoofdstuk.

Belastingen op inserts in silo’s

Inbouwelementen in silo’s en storthopen worden zwaar belast

Inserts

Elementen die ingebouwd worden in silo's worden inserts genoemd. Hierboven wordt beschreven hoe inserts worden toegepast om de stroming van het bulkgoed in de silo gunstig te beïnvloeden of om de druk in te silo of de belasting op de uitdraagapparatuur te verlagen. Een andere toepassing van inserts zijn de horizontale trekstangen ter ondersteuning van lange silowanden. Ook verticale stangen of kabels om meet- of registratieapparatuur in de silo te hangen zijn omringd door stortgoed en kunnen inserts genoemd worden.
Al deze inserts hebben invloed op de stroming in een silo maar ondervinden ook belastingen vanuit het opgeslagen materiaal. Helaas bestaat er voor veel situaties tot op heden geen betrouwbare methode om deze belastingen te berekenen, terwijl door het onderschatten van deze lasten nog al eens aanzienlijke schades zijn opgetreden.
Hieronder wordt hier nader op ingegaan.

Belasting op verticale stangen en kabels

Zolang de kabel of de stang redelijk glad is, dus geen echte ribbels heeft, ontstaat een vrij simpele situatie. Op deze stang werkt vanuit het stortgoed de horizontale normaalspanning. Deze zou de stang willen indeuken, maar daarvoor is geen gevaar. In de verticale richting werkt de schuifspanning. Deze is gelijk aan de horizontale normaalspanning vermenigvuldigd met de wrijving tussen stortgoed en stang/kabel en stortgoed. Omdat de normaalspanning met de diepte toeneemt, zal de schuifspanning over de lengte van de stang/kabel in het stortgoed moeten worden geïntegreerd, om de totale verticale kracht op de stang te berekenen. Omdat de spanning met de diepte toeneemt, zal twee maal zo lange stang een veel meer dan tweemaal zo grote verticale last op moeten nemen.
De normaalspanning kan berekend worden volgens de Euronorm 1991-4. De wandwrijving zal moeten worden gemeten. Voor een stang is dat geen probleem. Bij een kabel moet op een vergelijkbaar oppervlak gemeten worden, of kan de maximale wandwrijving worden afgeschat op basis van de gemeten inwendige wrijving van het stortgoed. Wanneer de stang of kabel echt ruw is aanwezig zijn, zal zich een dunne stilstaande grenslaag kunnen vormen, zodat met de inwendige wrijving gerekend moet worden. De diameter van de stang wordt nu vergroot met tweemaal de gemiddelde deeltjesdiameter. Wanneer er grotere ribbels aanwezig zijn, moet de diameter daarvan, plus een eventuele grenslaag worden aangehouden.

Belasting op horizontale elementen

Wanneer in de silo inbouwelementen zijn aangebracht met een zeker oppervlak in horizontale richting, ligt de situatie een stuk ingewikkelder. Het element wordt nu niet alleen verticaal door wrijving belast maar ondervindt ook een verticale belasting door het bovenliggende stortgoed. Deze verticale belasting is aanzienlijk groter dan men misschien zou verwachten. Men stelt zich vaak voor dat er een hoopje product op het element blijft liggen, zodat een dakvorm ontstaat waar het stortgoed langs stroomt zonder het “dak” teveel te belasten.
De praktijk is echter anders: het blijkt dat een inbouwelement een veelvoud van het aangestroomde oppervlak aan belasting opneemt. Hoe kleiner de verhouding van het oppervlak van inbouwelement ten opzichte van dat van de silo, des te groter de factor waarmee de verticale druk op het niveau van de insert moet worden vermenigvuldigd. De geometrie (kegel, plat vlak, trechter) is van mindere invloed. Een lange smalle insert (trekstang) is gunstiger dan een meer vierkant of rond element, maar kan nog steeds erg zwaar belast worden.

Belasting op horizontale trekstangen

De verticale belasting op een trekstang is afhankelijk van de diepte in de silo, de breedte en de vorm van de stang. Omdat de stang een veel grotere verstoring in het materiaal geeft dan alleen het horizontale steunoppervlak (zie figuur hierboven) moet de silodruk ter plaatse worden vermenigvuldigd met een factor. De achtergrond van deze factor is deze: al in de vulsituatie zal het stortgoed in de silo wat inzakken naarmate de vulling toeneemt. Ter plaatse van de stang is echter geen inzakking mogelijk terwijl het materiaal rond de stang wel wat inzakt. Hierdoor ontstaat extra wrijving op het materiaal dat op de stang rust waardoor de verticale belasting dus toeneemt. In hoeverre dit al in forse mate optreedt bij de vulsituatie, hangt af van de zettingseigenschappen van het stortgoed (settling, inklinking) en de silodruk ter plaatse. Bij het leegstromen zal altijd beweging langs en om de stang plaatsvinden met extra wrijving en dus toename van de belasting.

De grootte van de belasting op een aangestroomd oppervlak in een stortgoed is door meerdere onderzoekers experimenteel onderzocht maar heeft tot nogal verschillende resultaten geleid en helaas niet tot een eenduidig rekenmethode. Wel is duidelijk geworden dat de waarde van de belasting op de stang relatief groter wordt bij een kleinere breedte. De vorm van de stang speelt hierbij een rol: bij ronde en ruitvormige stangen is de belasting iets lager dan bij stangen met een vlakke bovenkant. Voor berekening van de belasting op een trekstang in het stortgoed is het zeer uitgebreide onderzoek dat door Kroll is uitgevoerd aan de universiteit van Braunschweig in de zeventiger jaren nog steeds de beste basis. In dit onderzoek is een belastingsfactor bepaald als functie van de breedte van de trekstang, zie de figuur hieronder.
De verticale belasting op de stang wordt berekend door de silodruk (te berekenen volgens de Euronorm 1991.4) op die hoogte te vermenigvuldigen met deze factor en het aangestroomde oppervlak.
Bij smalle en hoge trekstangen (stukken tussenwand) zal ook de verticale wrijving vanuit het materiaal een rol spelen en in de berekening moeten worden meegenomen via horizontale druk en wrijvingscoëfficiënt.

Belastingen op andere aangebrachte elementen

Bij belasting op andere in de silo aangebrachte elementen kan worden gedacht aan inbouwelementen die de stroming moeten beïnvloeden zoals via de wand ondersteunde kegels of trechters of aan kabels hangende meetapparatuur. De belasting is hier in principe op dezelfde wijze te berekenen als hierboven voor trekstangen aangegeven. Ook hier is de belasting op de inbouw veel groter dan het oppervlak en verticale silodruk zouden vermoeden. En ook nu geldt dat een kleine insert een relatief grotere belasting zullen ondervinden. In smalle silo’s geldt dit nog meer, aangezien grotere inserts al snel de maximale druk; de gehele doorsnede maal de silodruk, zullen opnemen.
Naast het aangestroomde oppervlak speelt ook de vorm een rol: een spitse vorm is gunstiger. Net als bij trekstangen is ook voor dit soort inserts geen eenduidige berekening van de belasting bekend. Voor een afschatting van de belasting zou weer gebruik kunnen worden gemaakt van de figuur hierboven. Echter in experimenten met inserts met een lengte ongeveer gelijk aan de breedte, waarvan het oppervlak één-vijftigste deel is van het silo-oppervlak, is gemeten deze wel 20 keer de daar heersende verticale silodruk ondervinden. De vergrotingsfactor is dan dus 20, duidelijk hoger dan op de trekstangen.

Belasting bij omhoog trekken van inserts

Een speciaal geval doet zich voor wanneer getracht wordt een insert met een horizontaal of afgeschuind oppervlak weer uit het materiaal omhoog te trekken. De hiervoor benodigde kracht blijkt in vele gevallen nog zeer veel hoger te zijn dan de (verhoogde) belasting zoals hierboven aangegeven. Een simpel experiment kan dit duidelijk maken. In de figuur hieronder is een cilinder getekend met daarin aan horizontale schijf die aan een kabel of touw hangt. De diameter van de cilinder is iets groter dan de schijf zodat deze laatste zonder wrijving door de cilinder kan bewegen. Wanneer stortgoed in de cilinder wordt gebracht, zal de schijf niet het gehele gewicht van het stortgoed dragen, omdat de cilinderwand via wrijving een deel opvangt. De kracht op de schijf kan met de standaard siloformule van Janssen worden berekend. Wanneer de schijf omhoog wordt getrokken, zal de belasting op de schijf stijgen omdat nu zowel de hele massa stortgoed moet worden opgetild maar ook tegen de wandwrijving in moet worden bewogen. De verticale belasting van de schijf op het stortgoed wordt nu dus hoger. Maar daarmee neemt ook de horizontale belasting toe, omdat deze via de spanningsverhouding (factor K in EN 1991.4) afhangt van de verticale druk. Daardoor neemt, via de wandwrijving, ook de verticale kracht weer toe. De kracht blijkt exponentieel met de materiaalhoogte toe te nemen. Met een kleine materiaalhoogte op de schijf is deze nog omhoog te bewegen, maar bij een vulhoogte van ca. 3 maal de cilinderdiameter is dit onmogelijk.
Een dergelijk fenomeen zal ook optreden bij het omhoogtrekken van inserts. Hoewel in de stortgoedmassa door elasticiteit wat meer bewegingsruimte zit dan in een stijve cilinder, zullen ook hier zeer hoge inwendige wrijvingskrachten optreden die het onmogelijk maken de insert op te hijsen wanneer deze nog te diep in het materiaal zit.

Horizontale belasting op verticale inserts

In een silo aanwezige verticale inserts, bijvoorbeeld in de vorm van ontlastingspijpen of mengschroeven, worden in eerste instantie in verticale zin belast door schuifkrachten als gevolg van horizontale druk en wrijving. Deze verticale krachten zijn goed te berekenen met de standaard normberekeningen zodat de constructie hier goed tegen bestand is. In de praktijk zijn het asymmetrische horizontale krachten die de problemen veroorzaken. De horizontale druk in een silo is nou eenmaal nooit geheel gelijkmatig verdeeld – zoals dat bij een vloeistof wel het geval is. Wanneer bij een verticale kolom of pijp aan één zijde meer stroming optreedt, zal de druk daar ter plaatse veel lager kunnen worden. Het gevolg daarvvan is een eenzijdig veel hogere druk, en de bijbehorende buigspanningen. Dit heeft in het verleden meerdere malen tot grote beschadiging van inwendige pijpen geleid. Om deze problemen te voorkomen, is het verstandig bij het dimensioneren er van uit te gaan dat er eenzijdig een volle stortgoeddruk op de pijp staat. Tevens moet rekening gehouden worden met een vergrotingsfactor zoals bij de trekstangen, zie afb. 3.
Het probleem bij stortgoed (in tegenstelling tot bij een vloeistof) is dat er bij een bepaalde vulling wel druk kan zijn, maar dat er geen zekerheid is dat die er is. Daarom mag niet over het algemeen niet gerekend worden op een, voor de constructie positief werkende, steundruk. Alleen in situaties met een voorspelbare en betrouwbare vulling en uitstroom, mag een klein deel van de maximaal werkende druk als steundruk worden gerekend.

Belastingen op tussenconussen

Soms worden tussenconussen in de cilinder aangebracht om de maximale druk in de silo te beperken. Bijvoorbeeld om de kans op trillingen en schokken te verkleinen, of de grootte daarvan te beperken. Een andere aanleiding kan zijn de druk op een uittrekmechanisme voldoende laag te houden. Een dergelijke tussenconus zal een aanzienlijk deel van de verticale silolast ter plaatse overbrengen op de cilinder. De verbinding tussen conus en cilinder zal dus voldoende sterk moeten worden uitgevoerd. Bij de tussenconus zelf kan men uitgaan van de belastingen zoals in de codes beschreven voor een normale conus onderaan de cilinder. Ook de cilinder zelf wordt door het aanbrengen van een tussenconus heel anders belast dan zonder tussenconus, omdat nu lokaal een grote verticale belasting moet worden overgebracht. Tevens zal er een piek in de wanddruk (zie onder) optreden. Vooral bij dunwandige, knikgevoelige uitvoeringen moet hierop worden gelet.

Belastingen op tussenwanden

Het aanbrengen van tussenwanden kan ook als doel hebben om de druk te verlagen, dan wel om ontmenging te voorkomen. De tussenwanden kunnen deze als normale silowanden met de geldende norm worden berekend. De drukken hierop zullen lager zijn dan die op de wanden bij een ongedeelde silo, omdat de celafmetingen nu kleiner zijn. Er moet atlijd vanuit worden gegaan dat een tussenwand horizontaal eenzijdig wordt belast. De schuifspanning op de tussenwand dient wel tweezijdig te worden meegenomen. Een mogelijk steunende werking vanaf de andere zijde mag niet worden meegerekend.

Invloed van inserts op de wanddruk in silo’s

De belasting op inserts moet in de siloconstructie worden opgevangen. Dit zal meestal op de silowand ter plaatse gebeuren. Maar ook wanneer de insert niet op de wand afsteunt, maar bijvoorbeeld geheel door de silobodem wordt gedragen, zal in de meeste gevallen door verstoring van de stroming de wand toch zwaarder worden belast. Het gaat hierbij om de wanddruk: de druk loodrecht op de wand. In de cilinder is dit dus de horizontale druk.
De Euronorm geeft aan dat de invloeden op de silodrukken ten gevolge van het inbouwen van ontlastingskegels, ontlastingsbalken etc. niet door de norm worden gedekt.
Voor de situatie dat inserts worden ingebouwd om massastroming te verkrijgen in een silo die berekend is voor kernstroming, is het tamelijk eenvoudig: er moet nu ook rekening gehouden worden met de plaatselijk hogere (piek)drukken door massastroming. In een silo zonder inserts zal tijdens massastroming een piekspanning aanwezig zijn op de overgang van cilinder en trechter. Wanneer inserts op andere hoogtes in de silo worden gebouwd, moet ook daar met spanningspieken rekening worden gehouden.

Globale inschatting

Helaas is in lang niet alle gevallen een eenduidige berekeningsmethode voorhanden om ongelijkmatige belastingen door verstoring van de stroming te berekenen. Op basis van uit experimenten afgeleide voorstellen is vaak niet meer dan een globale inschatting mogelijk. Misschien dat computersimulaties waarmee de stromingen en spanningen rond inserts kunnen worden bekeken, hier in de toekomst een beter, en voor de praktijk ook bruikbaar antwoord kunnen geven.