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Comment fonctionnent les trémies et comment éviter les problèmes d'écoulement par gravité des trémies

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En tant qu’ingénieur conseil dans l’industrie de la manutention et du traitement des solides en vrac, les problèmes liés à l’écoulement peu fiable des réservoirs de stockage (trémies, silos, soutes) se produisent régulièrement. Ce document a pour objectif d’expliquer le fonctionnement des trémies, la conception d’un flux fiable pour un nouveau navire et les techniques de rattrapage permettant d’améliorer le déversement des navires existants.

Par le Dr Robert Berry, ingénieur consultant principal pour le Wolfson Center for Bulk Solids Handling Technology

Dr Robert Berry, ingénieur consultant principal pour le Wolfson Center for Bulk Solids Handling Technology

Dr Robert Berry, ingénieur consultant principal pour le Wolfson Center for Bulk Solids Handling Technology

Schémas d'écoulement dans les trémies

Lorsqu'un silo décharge des matériaux, deux types d'écoulement distincts peuvent se produire. débit à cœur (flux en entonnoir) et débit en masse comme illustré sur la fig. 1a, b & c.

Le modèle d'écoulement central est le modèle par défaut dans lequel la plupart des navires opèrent (sauf si un écoulement massique a été spécifiquement conçu) lorsque le matériau s'écoule dans un canal d'écoulement préférentiel au-dessus de la sortie et que le matériau autour des murs reste statique.

Si le produit coule à flot et que le silo a une grande section parallèle, le canal d'écoulement peut s'étendre jusqu'aux parois du silo supérieur, comme indiqué sur la fig. 1a.

Si le matériau présente un certain degré de cohésion, l'angle d'expansion du canal d'écoulement sera très raide, de sorte que le canal d'écoulement s'étendra jusqu'à la surface supérieure de l'inventaire dans le silo.

Ce modèle de flux de base donne une forme de rotation des stocks du type premier entré dernier sorti, ce qui peut conduire à;

  • Le rinçage des matériaux aérables, c'est-à-dire que les matériaux aérés fraîchement chargés passent directement dans le canal d'écoulement,
  • L'agglomération (agglomération non désirée) de matériaux sensibles au temps, c'est-à-dire que les régions statiques autour des murs peuvent se durcir avec le temps et s'installer de manière permanente dans le silo,
  • La séparation des matériaux avec une large distribution de taille, c'est-à-dire que si le centre est chargé, un repos d'angle se forme dans le silo, les particules grossières roulent à la base du pieu (paroi) et les particules fines sont moins mobiles et s'accumulent au centre du silo. Lorsqu'elles sont évacuées dans le flux central, les particules fines sortent en premier suivies d'une proportion croissante de particules grossières.

Le modèle de flux alternatif et souhaitable pour les matériaux difficiles à manipuler est le flux de masse (représenté sur la figure 1c) où la trémie a des parois beaucoup plus raides, de sorte que le matériau glisse sur les parois et que tout le matériau est en mouvement lorsque la décharge se produit.

Cela donne un schéma de décharge premier entré premier sorti et tout le matériel a un temps de séjour constant, minimisant les risques d'agglomération et d'inondation. Tandis que les matériaux se séparant se séparent à l'intérieur du silo pendant le chargement, le tirage uniforme provoque leur mélange lors du déchargement. Le débit massique donne également un taux de décharge par gravité plus constant dans le temps et indépendant du niveau des stocks.

Les principaux inconvénients du débit massique sont le risque d'usure des parois si le produit stocké est très abrasif (soit un écoulement à cœur ou une surépaisseur d'usure), les pressions plus élevées sur le mur pendant la décharge (car tout le contenu est sous tension). en particulier lors du passage des sections parallèles aux sections convergentes du silo, et une plus grande marge requise pour stocker un volume donné de matériau en raison de la trémie plus raide.

Schémas d'écoulement du silo a) flux de base (matériau à écoulement libre)
Schémas d'écoulement du silo b) écoulement central (matériau cohésif)
Schémas de débit du silo c) débit massique

Figure 1 Schémas de débit du silo a) Flux de base (matériau à écoulement libre) b) Flux de base (matériau cohésif) et c) Flux de masse.

Mesure de friction murale

La détermination du flux de masse ou du flux de fond d'un matériau nécessite une mesure du frottement entre la paroi de la trémie et la poudre stockée. Cela peut être fait en cisaillant une cellule de poudre consolidée sur un échantillon de paroi en mesurant la force de cisaillement tout en contrôlant la force normale.

La force de cisaillement est tracée en fonction de la force normale, le locus de la paroi, dont l'angle représente l'angle de friction de la paroi, c'est-à-dire l'angle auquel la paroi doit être inclinée pour provoquer le glissement de la poudre sur la paroi.

La relation entre le demi-angle de la trémie à écoulement massique et l'angle de frottement de la paroi est présentée dans la figure 2a & b et montre que, lorsque l'angle de frottement de la paroi réduit l'angle de trémie limite, l'écoulement massique devient moins profond. C'est-à-dire que plus le frottement entre la poudre et la paroi de la trémie est élevé, plus la trémie est raide pour le débit massique.

Deux extrêmes de la forme de la trémie sont présentés: une trémie conique et une trémie en forme de cale. Ce dernier donne un écoulement de masse à des demi-angles plus grands car le matériau ne converge que dans une direction plutôt que deux pour un cône.

Limites de débit massique pour les trémies coniques et planes
Limites de débit massique pour les trémies coniques et planes

Fig. 2 Limites de débit massique pour les trémies coniques et planes

Obstruction d'écoulement

Lorsqu'un silo ne parvient pas à se décharger sous l'effet de la gravité, il existe trois principaux types d'obstruction d'écoulement, à savoir la cambrure mécanique, la cambrure cohésive et la perforation, voir la fig. 3a, b & c respectivement.

La cintrage mécanique est le cas relativement trivial où les particules sont trop grosses par rapport à la taille de la sortie et que plusieurs particules peuvent se coincer mécaniquement sur la sortie.

Pour éviter cela, le diamètre d'une sortie circulaire (ou la diagonale d'une sortie à fente) doit être d'env. 10 fois supérieur à la taille maximale des particules.

Fig. 3 Obstructions du flux du silo b) Arches cohésives

Fig. 3 Obstructions du flux du silo a) cintrage mécanique

Fig. 3 Obstructions du flux du silo b) Arches cohésives

Fig. 3 Obstructions du flux du silo b) Arches cohésives

Fig. 3 Obstructions du flux du silo c) perforation cohésive du rat

Fig. 3 Obstructions du flux du silo c) perforation cohésive du rat

La cambrure cohésive et la perforation sont les endroits où le matériau gagne en résistance lorsqu'il est consolidé en raison de la cohésion, en fonction soit d'une granulométrie fine typiquement inférieure à 100 (où les forces de van der Waals dominent les forces de gravité) ou de la présence d'un liquide de surface où la surface la tension lie les particules ensemble.

Avec un matériau cohésif, si la taille de la sortie est trop petite, une obstruction se formera et un écoulement par gravité ne se produira que lorsque le diamètre / la largeur de la sortie est suffisamment large pour que le poids du solide en vrac dans la voûte dépasse la résistance non limitée du matériau. La cambrure cohésive est la condition limitant le débit dans un silo à flux de masse, tandis que la perforation de rat est la condition limitant le débit dans un silo à flux principal.

Le rat-trou se produit parce que, pour le diamètre du noyau, la contrainte de frettage est insuffisante pour vaincre la résistance du matériau, de sorte qu’il faut au préalable augmenter le diamètre de sortie, augmentant ainsi la contrainte de frettage jusqu’à la rupture.

Pour un silo à écoulement massique, la dimension critique de la sortie est en grande partie indépendante de la taille du silo. Toutefois, pour un silo à écoulement principal, la dimension critique du trou de rat peut augmenter de manière significative à mesure que le navire grossit (en diamètre et en hauteur) et que la contrainte de consolidation dans le tuyau augmente.

Fonction de débit

Pour dimensionner la sortie d'un silo afin de vaincre la formation d'arcs ou de trous cohésifs, la force de cohésion du matériau est mesurée et représentée sous la forme de la fonction d'écoulement (fig 4a), qui est un modèle pour la fluidité d'un matériau donné. La mesure de la fonction de débit est mieux illustrée par le concept du test du château de sable (voir fig. 4b).

Dans la première étape de l’essai «château de sable», le solide en vrac est compacté de manière uniaxiale dans un moule (seau) à une contrainte normale donnée. Dans la deuxième étape de l’essai, le moule (seau) est retiré pour révéler le solide «château de sable».

Une contrainte verticale croissante est ensuite appliquée au solide en vrac non confiné (château de sable) et la résistance maximale à la rupture est enregistrée. L'axe horizontal de la fonction d'écoulement représente la contrainte de consolidation, «la contrainte appliquée pour compacter le château de sable dans le seau», par rapport à la résistance à la rupture non confinée «la résistance du château de sable autonome» sur l'axe vertical. Bien que le moyen de mesure utilisé dans la pratique soit le test de cisaillement plutôt que l'action uniaxiale, le sens est le même.

Graphe de la fonction de débit

Fig 4 a) La fonction de flux

Le test du château de sable

Fig 4 b) Le test du château de sable

Consolidation du temps

Pour les deux types de silo, la consolidation du temps peut être un facteur important. C’est là que la résistance du matériau augmente en fonction de la période de stockage statique, où les particules se rapprochent, ce qui augmente la résistance.

Ainsi, si le matériau reste statique dans la trémie pendant un week-end, une sortie de grande taille est nécessaire pour que le matériau puisse s'écouler le lundi matin. Ceci peut être conçu en caractérisant la force sur la période requise.

Alternativement, si cette période est utilisée peu fréquemment, des aides au déchargement pourraient être utilisées de la sortie au diamètre de la sortie temporelle à utiliser uniquement lors de la reprise d'un écoulement après une longue période de stockage statique.

Interfaces d'alimentation

Une fois la géométrie du silo correcte pour un écoulement par gravité fiable, il est possible de reconvertir un silo à flux de masse en un flux à flux de base, via un interfaçage inapproprié. Il existe de nombreux types d'alimentation utilisés pour contrôler le taux de rejet des produits du silo, notamment: vis, courroies, chaînes, glissières vibratoires, charrues, vannes rotatives et pour chacun il existe un moyen correct et incorrect d'interfacer.

Une vis et une courroie sont utilisées ci-dessous pour décrire le principe de bonne pratique d’interfaçage. Une interface standard incorrecte pour une vis est un pas et un diamètre constants qui donnent un volume de transport fixe.

Ainsi, la vis déplace le matériau du premier pas vers l'avant, de sorte que le seul endroit où le silo peut pénétrer dans la vis se situe à l'arrière de la fente. Ainsi, un silo à écoulement massique se décharge de manière à écoulement à cœur en raison d’une géométrie d’interface mal conçue.

Ce qui est nécessaire pour supporter le débit massique est une vis avec un diamètre extérieur fixe, mais un pas croissant et un diamètre d’arbre réduit dans la direction de l’alimentation. Ainsi, le volume déplacé par la vis augmente dans la direction de l'alimentation et le matériau s'écoule sur toute la longueur de la fente en écoulement massique.

Des principes similaires s'appliquent pour une courroie, une interface horizontale tirera de la police de la fente uniquement voir fig 5a. Ce qui est requis est un exutoire dont la hauteur augmente à env. 5 ° de sorte que la largeur de la fente soit effilée pour donner une largeur croissante dans le sens de l’alimentation, créant ainsi un pieu qui s’élargit et s’élargit progressivement sur la bande dans le sens de l’écoulement afin de soutenir le flux massique, voir fig. 5b.

Fig. 5 a.) Interfaçage incorrect de la courroie

Fig. 5 a) Interfaçage incorrect de la courroie

Fig 5 b,) Corrigez l’interfaçage de la ceinture

Fig 5 b) Corriger l’interfaçage de la ceinture

Techniques de modernisation des inserts de silo

Une approche courante qui peut être utilisée pour résoudre les problèmes de décharge avec un silo à flux principal est l'insertion statique. Étonnamment, une obstruction interne dans le silo (généralement un cône inversé), si elle est de la bonne taille et dans la bonne position, peut améliorer considérablement les caractéristiques de décharge d’un silo à flux de base jusqu’à un écoulement de masse proche.

Cette technique consiste à modifier la forme du canal d'écoulement, passant d'un cône à un autre, enveloppé dans un anneau. Comme indiqué précédemment, le coin atteint un écoulement massique à des angles nettement plus faibles et est moins sensible aux variations des stocks.

fig 6a

Fig. 6 a.) Flux de base

fig 6b

Fig 6 b) Insert de correction de débit

En résumé

Pour bien concevoir un silo pour un débit fiable, vous devez connaître votre matériau. Si le matériau coule à flot et le reste toujours et que la séparation ne pose pas de problème, le flux de base peut être acceptable pour votre processus.

Cependant, si votre matériau est cohésif, dépendant du temps (enclin à la prise en masse), se fluidifie facilement ou très facilement séparable, un modèle de débit massique est probablement nécessaire. Pour obtenir un débit massique, vous devez mesurer les propriétés d'écoulement de votre matériau, le; friction du mur, fonction d'écoulement, friction interne, densité apparente et fonction d'écoulement temporel de sorte que la taille de sortie critique et l'angle de convergence puissent être spécifiés pour donner un écoulement fiable.

Enfin, rappelez-vous que la géométrie de l’interface d’alimentation doit être correctement conçue pour supporter le débit massique.

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