SEGREGACE SYPKÝCH HMOT NA DOPRAVNÍCH TRASÁCH SEGREGATION BULK SOLIDS ON TRANSPORTATION TRACE Petr Bortlík a Jiří Zegzulka b a OSTROJ a. s., Těšínská 1586, 746 41 Opava, ČR, petr.bortlik@quick.cz b VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava Poruba, ČR, jiri.zegzulka@vsb.cz 1. Abstrakt V průmyslu se velmi často setkáváme s manipulací a dopravou s velkým sortimentem sypkých (partikulárních) hmot. Spousta manipulovaných materiálů je ve formě prášku nebo sypké formě. Během následných výrobních procesů mnoho produktů prodělá proces mnohonásobné fáze uskladnění a manipulace, takže celkový počet manipulovaných materiálů je velmi rozsáhlý. Jakost konečného produktu je požadována podle specifických kritérií, v některých případech se požaduje velmi přesná specifikace. Segregace je jedním z mnoha rysů sypké hmoty, který negativně působí na jednotnost sypkých materiálů, zvyšuje problémy výroby produktu a také způsobuje mnoho problémů s dopravou a manipulací uvnitř průmyslového závodu. Zvláště volný tok směsi je citlivý k segregaci, protože volná zrna se pohybují vzhledem k sousedním a umožní jejich přeskupení a segregaci podle převažujících sil, bez odporu sousedních zrn. Soudržné materiály brání segregaci, protože mezičásticový pohyb lze těžko očekávat vlivem omezeného kontaktu. Segregace může být považována za přímý opak míchání, směšování a homogenizace, s tím rozdílem, že segregační procesy v podstatě probíhají podle partikulárních vlastností, zatímco mísení směsi se mění z mnoha různých důvodů. U procesů mísení je používáno mnoho úvah a podmínek ze segregace. Různé technické použití počítá segregaci za použitelnou pro homogenizování nebo mísení produktů, které jsou nejprve v odděleném stavu. 2. SEGREGACE SYPKÉ HMOTY Sypká hmota je systém částic, které se mohou od sebe lišit velikostí a tvarem, chemickým složením, a tím i interpartikulárními vazbami, mechanicko-fyzikálními vlastnostmi, ale také sypnou hmotností. Při manipulaci se sypkým materiálem se může rozložení částic měnit, což sebou přináší změnu vlastností tohoto materiálu nejen v čase, ale i v prostoru tělesa sypké hmoty. Většinou jsou tyto změny chápány jako nežádoucí. 1
Obr. 1 Různé podoby segregace Fig. 1 Miscellaneous form segregation Na Obr. 1 vidíme různé podoby segregace ve vztahu k homogennímu materiálu. Při vibračním způsobu dopravy nebo při samotné vibraci může dojít k oddělení dvou různých frakcí partikulární hmoty, kde větší částice se umístí u dna a menší vyplavou na povrch. Segregace může také vznikat při nasypávání a vysypávání sypké hmoty do nádoby. Taktéž je mnohdy opomíjena segregace při provzdušňování, při dopravě materiálu v tekutině nebo při rotačním způsobu dopravy. Podstatou porozumění procesu segregace je představa, že mechanismy způsobující různý pohyb částic se mohou vyskytovat samotné nebo v kombinaci, v jiných množstvích, časových následnostech a jiných intenzitách. Uvedené druhy segregace mohou mít nepříznivé a nevyzpytatelné podoby a bez porozumění těchto jevů se chování partikulární hmoty může jevit jako abnormální. Tvrdí se, že úplné porozumění segregačnímu chování spočívá v práci s rozborem dopravního systému na jeho základní operace, z nichž každá může být negativní v charakteristických režimech chování, nebo pozitivní. 2.1. Význam segregace v technické praxi Zatímco některé produkty mohou tolerovat segregaci, jiné mohou být k tomuto jevu velice citlivé. Segregace se běžně vyskytuje při skladování a manipulaci s jakoukoliv sypkou hmotou. Musí být zdůrazněno, že není důležité místo výskytu segregace, ale kde se nakonec projeví. Při řešení segregace je naopak nutné nalézt místo inicializace. Forma a rozsah výsledné segregace závisí na mnoha faktorech. Pro porozumění těchto aspektů je užitečné považovat každou z těchto vlastností za proměnlivou a pak ji popisovat v kombinaci s jakýmkoliv konkrétním použitím. Jednou z prvních otázek, která je kladena, proč vlastně sypké materiály segregují. 2.2. Tendence sypkého materiálu k segregaci Rozdílnost velikosti zrna a jejich partikulární vlastnosti jsou dominantním faktorem všech segregačních mechanismů a prvním krokem k řešení. Tvar zrn a drsnost povrchu zrna má vliv na tokové jevy, zrno má tendenci k snadnému odvalování nebo smyku. Zakulacená zrna se pohybují snadněji než ostré, hranaté, nepravidelné, tyčovité, deskovité nebo vláknité materiály. Tvrdý, suchý nesoudržný povrch nabízí menší omezení k segregaci než měkké lepkavé produkty. 2.3. Okolnosti, za kterých se segregace vyskytuje Segregace je vyvolána jakýmkoliv pohybem sypké hmoty. Proto při každé manipulační nebo výrobní operaci vznikají podmínky, při kterých může segregace probíhat. Segregace vzniká tam, kde diferenciální síly působí na různé frakce sypké hmoty a projeví se ve formě 2
pohybu sypké hmoty. Efektivitu segregace také ovlivňuje čas a relativní velikost oblasti pohybu. Například segregaci může ovlivňovat plnící rychlost do zásobníku a také tok materiálu do zásobníku. 2.4. Impulsy segregačních mechanismů Segregace je vytvořena impulsy rozdílně posunujícími částicemi podle určité vlastnosti jednotlivých částic. Impulsy jsou vyvolány různými příčinami. Vznikají z různých zdrojů: z gravitace, vnitřních a vnějších působících sil. Aktivní a pasivní kontaktní povrchové síly přinucují sypkou hmotu k pohybu kontaktním tlakem. To jak jednotlivé částice reagují na impulsy, ve srovnání s dalšími částicemi, má za následek vytvoření různých tras, takových že podobné částice se nahromadí ve specifických oblastech konečného uspořádání částic sypké hmoty v relativně malém ohraničeném objemu. Mezi impulsy segregačních mechanismů patří: gravitace, mezičásticové kontakty, dotyková tření, kontakt zrn rozdílnost hustot, klenbování, vibrace, rotace, unášení tokem, statická elektřina. 3. REŽIMY POHYBU SOUBORU ČÁSTIC, VE KTERÝCH SE VYSKYTUJÍ SEGREGAČNÍ PROCESY 3.1. Volný pád a trajektorie toku Materiál padající volně ve vzduchu je vystaven gravitaci a odporu vzduchu. Jev odporu vzduchu závisí převážně na tom, zda počáteční směr proudu toku má horizontální složku, ale stupeň vlivu závisí na tvaru a hustotě proudu toku. Avšak jestliže je materiál zpočátku usměrněný vodorovně nebo v nakloněném směru jako z přepadu přes koncový buben pásového dopravníku, potom kombinovaná separace ovlivněná hustotou a odporem vzduchu na trajektorii frakcí může mít podstatný vliv na složení dopadajícího materiálu v různých místech, Obr. 2a). Taktéž složení produktu, klouzajícího přes nakloněný skluz, bude ovlivněno tím, jak různé frakce kloužou nebo se kutálejí na ploše dotyku, nebo jsou zpožděné odporem vzduchu. Společná vlastnost dopravních skluzů, kde se směr pohybu materiálu liší je, že druhý tok dopravy je segregovaný přes jeho příčný řez tak, jak se frakce přivedly do klidu během jejich dopravy, Obr. 2b). Obr. 2 Segregace trajektorie a klouzající segregace Fig. 2 Trajectory segregation and sliding segregation 3
3.2. Klidný proud toku Klidný tok je jeden z nejběžnějších režimů chování při manipulaci se sypkou hmotou. Taková tekoucí vrstva partikulárního materiálu přes statickou vrstvu stejného produktu uspořádaného v jeho sypném úhlu má tři režimy chování. Nejvyšší vrstva zrn je více aktivní a roztažená, a pohybuje se dolů po svahu rychleji než zasypaná zrna, protože tyto zrna mají větší volnost pohybu. V této vrstvě je mnoho kontaktů a preferenčního přemisťování založených na velikosti zrn a hustotě. Střední oblast vrstvy je rozšířená a pohybující se více pomalu, zatímco nižší hranice toku spojující statické členy má kluzné tření a nepravidelné zachycení těchto zrn přicházejících do klidu a tvořících rostoucí povrch uloženého objemu, Obr. 3. Obr. 3 Segregace klidného toku Fig. 3 Still flow segregation 3.3. Svažování sypkého materiálu v zásobníku Příznačné pro sypké materiály vysypané na klidný svah je, že pevnost vytvořeného svahu je citlivá k různým okolnostem, zejména aspektu rychlosti a stavu dilatace proudu toku, a v případě méně soudržných produktů k hloubce vrstvy. Výsledkem je, že materiál přicházející na daný svah může přibývat místně ve strmějším úhlu, dokud hloubka vytvořené čerstvé vrstvy nepřekoná vliv přitažlivých částicových sil z důvodu jejich větší hmotnosti. V praxi efekty při nasypávání hromady souvisí s trvalým tokem a s rozrůstání přírůstků segregovaných zbytků. Materiál se staví nad přilehlou centrální oblast délky hromady ve strmějším sypném úhlu než hlavní svah do té doby, než se jeho poloha stává nestabilní. Svah z nově uloženého materiálu se pak zhroutí. Stavění nové lokální oblasti materiálu se odehrává v oblasti nejmenšího odporu v souladu k hranici povrchu profilu předcházejících přírůstků. Následující nárůst lokálního povrchu nabízí zvýšený odpor a tok se vytváří v různých radiálních polohách. Proces místního přibývání a opakovaného svažování se s dalším proudem přesměrovává tok hmoty k jiným radiálním místům. Toto nevyrovnané přibývání místních širokých vrstev má vážné místní účinky na segregační model. Během toku přes partikulární oblast se v rozvoji periody propadávání a povrchových efektů se usazují přednostně jemné frakce na spodní stranu vrstvy, podporující centrální oblast. Laviny svahu nesou množství jemné frakce dolů přes oblasti dříve usazených hrubějších zrn. Jak přijde vlna do klidu, horní povrch je z hrubějšího složení než spodní strana. Avšak další vrstva ze svažujícího se materiálu nemění statické rozložení předchozího usazení. Když toto přechází přes oblast předchozí pevné vrstvy, jemné frakce jsou usazené podobným způsobem k prvnímu stavu, ale výsledný příčný řez má formu zužujících se pásků segregovaného produktu s postupnými vrstvami jemných frakcí, u kterých klesá jejich 4
tloušťka směrem ke středu zásobníku pokrytých střídavě hrubými vrstvami s rostoucí tloušťkou, v typickém vánočním stromku jako formy specifické segregace jak ukazuje Obr. 4. Obr. 4 "Vánoční stromek" segregace způsobená svažováním Fig. 4 "Christmas tree" segregation give rise to sloped 4. MANIPULACE SE SYPKOU HMOTOU 4.1. Plnění a vyprazdňování zásobníků Zásobníky, v nichž jsou skladovány sypké hmoty, jsou vyráběny v různých velikostech a tvarech, bývají nazývány různě sila, zásobníky, násypné zásobníky, násypky, cisternové vozy, železniční vozy, lodě a ostatní. Plnící techniky jsou podobně rozmanité, nakládání vysypáním z pytlů, dopravou z mechanických dopravníků nebo elevátorů, z pneumatických systémů. Způsob zavážení určuje stav materiálu při vstupu do zásobníku, důsledkem je tím kauzálně, do značné míry, předurčeno i chování materiálu při vstupu, ne-li v jakém stavu byl materiál v normálním a dynamickém stavu. Je tím dán stupeň nakypření se kterým dopadá na povrch stávající vrstvy, ve kterém je usazován, a i stav mírné až extrémní expanze při provzdušňování. Podobné charakteristiky pro tokové vzory se aplikují na všechny velikosti a geometrie zásobníků. Klíčový rozdíl v charakteristice skladování přemístitelných zásobníků je, že obsahy podléhají vibracím a stlačujícím silám, a v určitých případech vedou k ukončení trvání klenby, nebo ke vzniku klenby. Excentrická segregace, která se vyskytuje během plnění následkem excentrického přívodu z pásového dopravníku nebo z necentrického zakládacího bodu, může být předpokladem vzniku různých problémů z excentricity vstupu nespolehlivého tokového stavu během vyprazdňovaní. Tokový kanál, který se vyvíjí v násypném zásobníku nehmotového toku, následuje cestu nejmenšího odporu skrz sypkou hmotu. Uskladnění hmoty, ovlivněné hrubým materiálem ležícím na jedné straně zásobníku, je pravděpodobné k formování přednostního tokového kanálu kvůli volněji tekoucí oblasti vrstvy hrubého materiálu, lépe než svislá trasa nad otvorem, jestliže toto projde skrz silnější hmotu zhuštěných jemných frakcí. Jádrový tokový kanál, ohraničený na jedné straně hrubou a na druhé straně jemnou frakcí, bude inklinovat k vyvolání hrubé jakosti vypouštěného materiálu, zatímco necentrická strana ze soudržných jemných frakcí zůstane na opačné straně, v souladu se schopností sypké hmoty k udržení neohraničené stěny rostoucí hloubky. Stabilní 5
materiál se stává stále více nestabilní, do okamžiku než se zhroutí do tokového kanálu (Obr. 5). Důležitost, jak je materiál rozložený uvnitř zásobníku, souvisí s tím, jak se materiál chová, když dojde k vyprázdnění. Hledisko umístění místa přítoku, a s tím spojených změn objemu je obzvlášť důležité. Vzorky odebrané ze zásobníku stanoví existující změnu uvnitř uložené sypké hmoty, ale tato snaha je často neodpovídající. Je daleko důležitější, co vychází ze zásobníku, spíše než, jak je obsah rozptýlený uvnitř. Vyprazdňovací operace ze zásobníku jsou primární příčinou segregace. Při jakékoliv homogenitě sypkého materiálu objevující se z výpustného otvoru, poskytují podmínky toku rozšíření toku a v mnoha případech nové příležitosti pro uskutečnění separace. To je základní příčinou pro podrobné přezkoumání tokové cesty k minimalizaci segregace. Obr. 5 Plnění a vyprazdňování zásobníku Fig. 5 Filing and discharge silo LITERATURA BORTLÍK, P. Eliminace segregačních mechanismů na dopravních trasách se zaměřením na zásobníky. Disertační práce. VŠB TU Ostrava 2007. BATES, L.: User Guide to Segregation, British Materials Handling Board, 1977 6