Faustregeln für pneumatische Förderleitungen

Jun 06, 2023

1. Mai 2012 | Von Amrit Agarwal, Berater für pneumatische Fördertechnik

Bei der Auslegung von Förderanlagen wird häufig nicht ausreichend auf die Gestaltung der Förderleitung und ihrer Komponenten geachtet. Diese Nichtbeachtung führt häufig zu schwerwiegenden Problemen im Fördersystem, wie z. B. niedrigen Förderraten, Verstopfung der Förderleitung, übermäßigem Verschleiß der Förderleitung, hohem Druckabfall im Fördersystem, Produktbruch, Bildung von Feinpartikeln und Streifen sowie Kreuzkontamination des Produkts. Die in diesem Artikel vorgestellten Richtlinien helfen dabei, solche Probleme zu mildern oder zu vermeiden.

Baumaterialien. Für das Rohr selbst verwenden Sie Kohlenstoffstahl, wenn eine Kontamination kein Problem darstellt. Ansonsten verwenden Sie Aluminium oder Edelstahl. Verwenden Sie Edelstahl für Lebensmittel- und Pharmaanwendungen. Für spezielle Anwendungen wie abrasive Feststoffe, hohe Temperaturen usw. ist es notwendig, ein geeignetes Material für die Förderleitung und ihre Komponenten zu finden.

Druckrate. Die Druckstufe der Förderleitung sollte für den maximalen Förderdruck des Fördersystems geeignet sein. Für die meisten Anwendungen mit einem Roots-Gebläse ist ein Nenndruck von 30 psig ausreichend. Diese Bewertung entspricht der Bewertung eines Schedule-10-Rohrs. Verwenden Sie für Anwendungen mit höherem Druck dickere Rohre, z. B. Schedule 20, 30 oder 40.

Temperaturbewertung. Der Temperaturbereich der Förderleitung sollte für die minimalen und maximalen Temperaturen geeignet sein, denen die Förderleitung ausgesetzt ist. Diese Temperaturen sind abhängig von der Umgebungstemperatur, der Förderlufttemperatur und der Feststofftemperatur.

Rohrleitungsverbindungen. Rohrleitungsabschnitte dürfen wegen der notwendigen Demontage der Rohrleitung nicht miteinander verschweißt werden. Stattdessen sollten diese Segmente verbunden werden, um eine einfache Demontage der Pipeline zu ermöglichen. Es können Flansche verwendet werden, diese sind jedoch teuer und lassen sich nicht leicht lösen. Sie sollten dort eingesetzt werden, wo die Verbindung 100 % dicht sein muss. Üblich sind leicht zu öffnende Rohrleitungskupplungen. Ordnen Sie die Verbindungen so an, dass sie leicht zugänglich sind, damit die Rohrleitung bei Bedarf demontiert werden kann.

Der Innendurchmesser der Kupplungen bzw. Flansche muss dem Innendurchmesser des Rohres entsprechen. Beide Enden der benachbarten Rohrsegmente müssen genau zueinander ausgerichtet sein, so dass es keinen inneren Überstand und keine Lücke zwischen den beiden Enden gibt.

Innenfläche der Rohrleitung. Die Innenfläche sollte sauber und frei von Öl und Rost sein. Eine glatte Innenseite kann verwendet werden, außer beim Umgang mit Kunststoffen, die sogenannte Streamer (ein Produkt des Kunststoffabbaus) erzeugen können. In diesem Fall wird die Innenfläche mit Spezialwerkzeugen aufgeraut.

Beispielsweise sind Dünnphasen-Förderleitungen für die Verarbeitung von Kunststoffpellets im Allgemeinen an der Innenfläche aufgeraut, um die Bildung von Streifen zu verhindern. (Andere gebräuchliche Namen für Streamer sind Engelshaar oder Schlangenhaut). Streamer entstehen, wenn ein Kunststoffpartikel mit hoher Fördergeschwindigkeit in einem geringen Auftreffwinkel auf die glatte Rohrwand trifft. Die Aufprallenergie reicht aus, um die Partikeloberfläche am Kontaktpunkt zu schmelzen und einen dünnen, stiftartigen Filmabdruck auf der Rohrwand zu hinterlassen. Durch nachfolgende Stöße verlängert sich dieser dünne Film immer weiter, kühlt schnell ab und löst sich streifenförmig von der Rohrwand. Die Länge dieses Streamers kann einen Bruchteil eines Zolls oder zwei bis drei Fuß lang oder sogar länger sein. Lange, dünne Luftschlangen neigen dazu, in Vorratsbehältern im Luftstrom zu schweben und zu wirbeln, bis sie sich zu etwas zusammenballen, das einem Vogelnest ähnelt.

Das Nettoergebnis von Streamern sind in jedem Fall verstopfte Schieber, Zuführungen, Siebe, mechanische Förderer und Trichter. Die beste Lösung zur Lösung dieses Problems besteht darin, die Herstellung von Streamern zu vermeiden, was durch Aufrauen der Innenseite der Rohrleitung erreicht wird. Das Aufrauen (oder Ritzen) erfolgt durch ein spezielles Kugelstrahlverfahren, entweder nach internen Spezifikationen oder nach Anbietern, die über dieses Fachwissen verfügen. Anbieter verfügen über eigene proprietäre Techniken zur Anwendung der Bewertung. Eine gut geritzte Pfeife sollte mindestens ein Jahr halten, bevor sie erneut geritzt werden muss.

Aluminiumbögen sollten eloxiert werden, um die Lebensdauer der Rillen zu verlängern, insbesondere beim Transport von harten oder abrasiven Materialien. Optional können je nach relativen Kosten auch Edelstahlbögen verwendet werden.

Obwohl das Ritzen für Fördersysteme, die weiche Kunststoffe verarbeiten, empfohlen wird, hat es zwei deutliche Nachteile. Der Druckabfall im Fördersystem ist höher als bei glatten Rohren, und aufgrund der aufgerauten Oberfläche kommt es zu einem gewissen Partikelabrieb. In pelletierten Kunststoffsystemen ist die Menge der erzeugten Feinteile erheblich. Anschließend müssen die Pellets am Ende des Fördersystems abgeschlämmt oder mit Luft gewaschen werden.

Statische Aufladungen. Beim Umgang mit Feststoffen, die eine statische Aufladung erzeugen, müssen Rohrleitungen gebaut werden, um diese Aufladung zum Boden abzuleiten. Rohrleitungsverbindungen müssen den Abfluss dieser Ladung zum Boden ermöglichen, indem über jede Verbindung statisch leitende Brücken angebracht werden. Überprüfen Sie nach der Montage der Rohrleitung den Widerstand gegen Erde vom Anfang bis zum Ende. Er sollte 1 Ohm nicht überschreiten.

Pipeline-Unterstützung. Rohre sind in Standardlängen von 20 Fuß erhältlich. Stellen Sie daher alle 20 Fuß oder weniger Stützen für die Rohrleitung bereit. Platzieren Sie diese Stützen, um ein Durchhängen der Rohrleitung aufgrund ihres Gewichts zu verhindern. Stellen Sie nach der Installation sicher, dass die Rohrleitung gerade ist und nicht durchhängt. Wenn sich die Rohrleitung aufgrund hoher Temperaturen ausdehnen kann, sind die Stützen so zu gestalten, dass diese Ausdehnung berücksichtigt wird. Positionieren Sie die Rohrleitung so, dass sie für die Demontage leicht zugänglich ist.

Kurven. Konstruktionsmaterial, Druckstufe und Temperaturstufe der Bögen sollten mit denen des Rohrs übereinstimmen. Aus Gründen des Druckabfalls werden in Förderleitungen keine Standardbögen mit kurzem Radius verwendet. Studien zeigen, dass Bögen mit großem Radius einen geringeren Druckabfall haben. Die Ergebnisse dieser Studien sind in Abbildung 1 dargestellt. Bögen mit großem Radius und einem Verhältnis von Biegeradius zu Rohrdurchmesser von 8–10 weisen einen geringeren Druckabfall auf.

Einige Anbieter haben spezielle Biegungen wie Hammertek-, Vortice-Ell-, Gamma-Biegung oder Blind-T-Stücke usw. entwickelt, um Produktverschlechterung und Biegungserosion zu reduzieren.

Luft- oder Gasversorgungsleitung. Halten Sie die Länge dieser Leitung so kurz wie möglich, indem Sie das Gebläse nahe am Einlass- oder Auslasspunkt der Feststoffe platzieren. Minimieren Sie den Druckabfall in dieser Leitung, indem Sie bei Bedarf eine Leitung mit großem Durchmesser verwenden. Kohlenstoffstahlkonstruktionen können außer in Lebensmittel- und Pharmaanwendungen verwendet werden. Die Druck- und Temperaturwerte können denen des Förderrohrs entsprechen. Sehen Sie in dieser Leitung ein Rückschlagventil vor dem Feststoffeinlass (bei Drucksystemen) oder hinter dem Auslasspunkt (bei Vakuumsystemen) vor, um zu verhindern, dass sich Feststoffe im Fördergebläse festsetzen.

Umlenkventile werden verwendet, um den Feststoff- und Luftstrom von einer Förderleitung zu einem von zwei Zielen oder von einer von zwei Förderleitungen in eine Förderleitung umzuleiten. Die wichtigsten Merkmale von Umschaltventilen sind folgende:

• Zwangsabsperrung, damit keine Luft oder Feststoffe vom verwendeten Anschluss zum nicht verwendeten Anschluss austreten. Dies geschieht durch den Einsatz gasdichter Dichtungen

• Design mit vollem Anschluss, sodass die Innenquerschnittsfläche des Ventils im Wesentlichen mit der der Förderleitung übereinstimmt

Diese Ventile werden in verschiedenen Ausführungen hergestellt, häufiger sind jedoch sogenannte Tunnel-, Kanal- oder Stopfentypen anzutreffen. Die Umleitungsposition liegt entweder 30 oder 45 Grad zur Durchgangsposition. Verwenden Sie vorzugsweise Tunnel- oder Kanal-Umschaltventile, da diese geringere Druckverluste aufweisen.

Achten Sie darauf, dass die Druckstufe des Ventils mit der der Förderleitung übereinstimmt. Der Nenndruck des Ventilgehäuses beträgt im Allgemeinen 150 psig, und der Nenndruck des Kanals oder Stopfens sollte mit dem der Förderleitung identisch sein.

Um ein Festsitzen der Ventile zu verhindern, stellen Sie sicher, dass die Ventile für den Betrieb bei der niedrigsten Umgebungstemperatur und der höchsten Innentemperatur ausgelegt sind.

Umschaltventile können mit Handrädern, T-Griffen, Luftkolben, Hydraulikzylindern oder Elektromotoren betätigt werden. Abhängig vom Grad der für den Prozess erforderlichen Instrumentierung werden in vielen Fällen Endschalter für die Umleitung oder Durchgangsanzeiger installiert, um die Ventilposition zu erfassen. Während der Stellungsänderung des Ventils ist es erforderlich, die Förderanlage abzuschalten und die Förderleitung von Feststoffen zu befreien. Diese Zeit beträgt typischerweise etwa 15 s.

Das Konstruktionsmaterial der Ventile hängt von der Anwendung und den geförderten Feststoffen ab. Die gebräuchlichsten Konstruktionsmaterialien sind ein Aluminiumgussgehäuse und Endplatten mit einem Edelstahlstopfen und Edelstahlwellen. Aluminium kann zur besseren Abnutzung eloxiert werden. Sorgen Sie für Dichtungen und Packungen, um Leckagen durch oder zur Außenseite des Ventils zu verhindern. Um die Lebensdauer zu verlängern, verwenden Sie Stopfen aus Edelstahl, auch wenn Sie Aluminium-Förderleitungen verwenden. Dadurch soll der abrasive Verschleiß der Oberfläche durch den Aufprall von Feststoffen mit hoher Geschwindigkeit minimiert werden. Der Körper kann aus Aluminium oder Edelstahl bestehen.

Ventile müssen sehr schnell umleiten können. Wünschenswert ist eine Umleitungszeit von weniger als fünf Sekunden.

Umlenker vom Typ Prallplatte sind für den Einsatz in pneumatischen Förderleitungen nicht geeignet. Sie werden hauptsächlich zur Steuerung des Feststoffflusses aus Niederdruckbehältern (weniger als 2 psig) verwendet. In den meisten Fällen muss der Feststofffluss durch ein Absperrventil oberhalb der Weiche gestoppt werden, bevor die Position der Klappe geändert wird, da sich die Position der Klappe nicht einfach ändern lässt, wenn die Leitung voller Feststoffe ist.

• Der Ventildurchmesser sollte mit dem Durchmesser der angeschlossenen Futterrutschen übereinstimmen

• Verwenden Sie eine Prallplatte aus Edelstahl, um den Verschleiß zu minimieren. Das Gehäuse kann aus Aluminium oder Edelstahl bestehen. Die Klappe sollte in beiden Positionen vollständig schließen

• Der Nenndruck des Ventils sollte mit dem der angeschlossenen Zuführrutschen übereinstimmen

Flexible Schläuche werden in Förderleitungen nur auf kurzen Distanzen verwendet, beispielsweise beim Entladen von Schüttgutcontainern wie Eisenbahnwaggons und LKWs. Dafür gibt es mehrere Gründe. Es ist schwierig, flexible Schläuche in einer geraden horizontalen oder vertikalen Konfiguration zu halten, und sie neigen dazu, durchzuhängen und Biegungen zu bilden. Ihr Druckabfall ist höher als der von Rohrleitungen. Außerdem verschleißen sie sowohl innerlich als auch äußerlich.

Flexible Schläuche können aus Metall oder Kunststoff sein. Kunststoffschläuche verfügen über eine spiralförmig gewickelte Innenauskleidung aus Metall, um die Festigkeit und Haltbarkeit zu verbessern. Bei der Förderung von Feststoffen, die statische Aufladungen erzeugen, werden leitfähige Schläuche eingesetzt. Metallschläuche bestehen im Allgemeinen aus geflochtenem Edelstahl mit einer Innenauskleidung aus Edelstahl, um Luftlecks zu verhindern.

Zu den Nachteilen flexibler Schläuche gehören:

• Höhere Druckverluste als bei Metallrohren aufgrund eines höheren Verlusts der kinetischen Energie des Feststoffs

• Häufige Schlauchausfälle durch Biegen und Handhabung

• Schwierigkeiten bei der manuellen Handhabung von Schläuchen mit großem Durchmesser (6 Zoll und mehr)

• Manuelle Schlauchverbindungen, die sich nicht einfach in die Steuerungslogik des Prozesssystems integrieren lassen

Zu den Überlegungen, die bei der Schlauchauswahl berücksichtigt werden müssen, gehören die Druckstufe des Schlauchs, die Verbindungsmethoden von Flanschen und Nippeln zum Schlauch, Überlegungen zu Fehlerfolgen, ordnungsgemäße statische Erdung und der minimale Biegeradius des ausgewählten Schlauchs.

Zu den Richtlinien für Schieberventile gehören:

• Verwenden Sie bidirektionale Ventile mit elastischem Sitz, damit diese auch bei Feststoffen vollständig schließen können

• Verwenden Sie keine Ventile mit Metallsitzen oder inneren Leisten, da sich auf diesen Leisten Feststoffe ansammeln können, die das vollständige Schließen des Ventils erschweren und zu einer Kreuzkontamination des Produkts führen können

• Für Anwendungen, die Korrosionsschutz erfordern, verwenden Sie eine Gusskonstruktion aus Edelstahl 316 für das Gehäuse und den Schieber

• Der Körperstil sollte Wafer-Typ sein

• Die Ventilpackung sollte aus weißem, quadratisch geflochtenem Acrylfilament mit Polytetrafluorethylen (PTFE) bestehen.

• Sitzmaterial sollte weißes Viton sein

• Das Joch sollte aus Edelstahl sein

• Sorgen Sie für Spülgas im Motorhaubenbereich, um Staubansammlungen im Motorhaubenbereich zu verhindern

Durch die Konstruktion und Installation der Schieberventile sollte das Strömungsmuster vom darüber liegenden Behälter erhalten bleiben. Wenn es sich um einen Massenflussbehälter handelt, muss der Schieber den Massenfluss aufrechterhalten. Dies erfordert, dass der Innendurchmesser des Ventils mit dem des Behälterauslasses übereinstimmt und dass das Ventil nur in vollständig geöffneter oder vollständig geschlossener Position verwendet wird.

Gasdichte Konstruktionen können erforderlich sein, wenn der darüber liegende Behälter Gase wie Kohlenwasserstoffe oder Stickstoff enthält.

Absperrventile, Rückschlagventile oder Regelventile werden in Förderleitungen nicht dazu verwendet, den Durchfluss des Feststoff-Luft-Gemisches zu stoppen oder zu regulieren, da sie den Betrieb des Fördersystems beeinträchtigen.

Leitungsinjektoren. Leitungsinjektoren werden zum Einspritzen von Feststoffen in die Förderleitung eingesetzt. Abbildung 2 zeigt einen Linieninjektor zur Förderung von Feststoffen aus einer Zellradschleuse in eine Förderleitung. Diese Konstruktion ermöglicht, dass die Feststoffe nach unten in die Förderleitung rieseln, anstatt senkrecht nach unten zu fallen und einen Haufen zu bilden.

Druckabfall minimieren. Zu den Richtlinien zur Minimierung des Druckabfalls gehören:

• Wählen Sie eine Pipeline-Route mit der kürzesten Entfernung zum Ziel, einschließlich horizontaler und vertikaler Linien

• Minimieren Sie die Anzahl der Biegungen in der Rohrleitung, da Biegungen eine Hauptquelle für Druckverluste darstellen. Die Feststoffgeschwindigkeit verringert sich in der Biegung aufgrund von Wandreibung und Stößen und erhöht sich dann im anschließenden geraden Abschnitt der Rohrleitung, was zu einem zusätzlichen Druckabfall führt (Abbildung 3 zeigt die Auswirkung einer Biegung auf den Druckabfall).

• Verwenden Sie keine Standardbögen, da diese den höchsten Druckabfall aufweisen. Verwenden Sie Bögen mit einem Verhältnis von Biegeinnendurchmesser zu Biegeradius von etwa zehn. Tests zeigen, dass der Druckabfall in solchen Biegungen mit großem Radius geringer ist als der in Biegungen mit kleinerem Radius

• Versuchen Sie es mit Umschaltventilen mit einem 30-Grad-Winkel. Umlenkwinkel statt 45 Grad. Ein 45-Grad-Winkel. Der Umlenkwinkel hat den doppelten Druckabfall

Fördergeschwindigkeit beibehalten. Wählen Sie eine Konstruktion, die die erforderliche Feststoffgeschwindigkeit in der gesamten Förderleitung aufrechterhält, um Salzbildung und Leitungsverstopfung zu verhindern. Die Feststoffgeschwindigkeit in der Rohrleitung darf nicht unter die Saltationsgeschwindigkeit fallen, um ein Verstopfen der Leitung zu verhindern. Dies geschieht anhand folgender Kriterien:

• Stellen Sie vom Aufnahmepunkt bis zur ersten Biegung sicher, dass die Förderleitung horizontal und lang genug ist, um die Feststoffe auf eine Geschwindigkeit zu beschleunigen, die hoch genug ist, um eine Salzbildung in der Biegung zu verhindern. Die Geschwindigkeit der Feststoffe nimmt in der Biegung aufgrund von Stößen und Wandreibung ab. Diese Reduzierung kann je nach Feststoff 5–50 % betragen. Für eine Reduzierung um 50 % muss die Geschwindigkeit der Feststoffe beim Eintritt in die Biegung mindestens 50 % höher sein als die Geschwindigkeit der Salzbildung. Im Allgemeinen beträgt die Länge dieser horizontalen Linie mindestens 20 Fuß, verwenden Sie jedoch nach Möglichkeit eine längere Linie.

• Nach der ersten Biegung platzieren Sie die zweite Biegung so, dass eine ausreichend lange horizontale Linie entsteht, die es den Feststoffen ermöglicht, wieder auf die gleiche Geschwindigkeit zu beschleunigen wie am Eingang der ersten Biegung

• Bögen nicht Rücken an Rücken verlegen, sondern in ausreichendem Abstand voneinander, damit die Feststoffe wieder beschleunigen können

• Bei langen Förderleitungen den Rohrdurchmesser an geeigneter Stelle der Rohrleitungsstrecke vergrößern, um sehr hohe Geschwindigkeiten zu vermeiden. Wählen Sie diesen Punkt, bei dem die Feststoffgeschwindigkeit die Mindestfördergeschwindigkeit nicht unterschreitet. Abbildung 4 zeigt eine Rohrleitung mit zwei Vergrößerungen des Rohrdurchmessers

• Fördergas kann aus Rohrkupplungen, Umschaltventilen, Zellenradschleusen und anderen Armaturen austreten. Um diese Verluste auszugleichen, verwenden Sie gasdichte Geräte oder erhöhen Sie den Zuluftstrom

• Vermeiden Sie die Verwendung von Rohrleitungen mit Steigung, da die Feststoffgeschwindigkeit aufgrund der Wandreibung verloren geht.

Minimieren Sie den Bruch von Feststoffen. Eine hohe Fördergeschwindigkeit führt zum Bruch zerbrechlicher Feststoffpartikel. Bei zerbrechlichen Festkörpern kann dieser Bruch proportional zur Geschwindigkeit in der dritten oder vierten Potenz sein. Wenn dieser Bruch nicht akzeptabel ist, verwenden Sie ein Dichtphasensystem mit niedriger Geschwindigkeit oder halten Sie die Geschwindigkeit so niedrig wie möglich.

Minimieren Sie die Pipeline-Erosion. Beim Umgang mit abrasiven Feststoffen ist es wichtig, spezielle Konstruktionsmaterialien für die Rohrleitung zu verwenden, um eine Erosion der Rohrleitung zu verhindern. Biegungen in der Rohrleitung erodieren schneller als gerade Rohre. Um dieses Problem zu minimieren, verwenden Sie spezielle Bögen mit verschleißfesten Oberflächen oder Bögen mit austauschbaren Außenrücken. Verwenden Sie keine weichen Materialien wie Aluminium. Bestimmen Sie die Abrasivität der Feststoffe, bevor Sie ein geeignetes Material für die Rohrleitung auswählen. Reduzieren Sie die Fördergeschwindigkeit so weit wie möglich, da der Verschleiß mit der Geschwindigkeit auf das 2,5-fache oder mehr ansteigt. Bei einer Verdoppelung der Geschwindigkeit erhöht sich der Verschleiß um das Sechsfache. In Abbildung 5 finden Sie einen Zusammenhang dieses Verschleißes zwischen verschiedenen Materialien.

Amrit Agarwa l ist beratender Ingenieur bei Pneumatic Conveying Consultants (7 Carriage Road, Charleston, WV, 25314; Telefon: 304-553-1350, E-Mail: [email protected]). Er begann seine Beratungstätigkeit nach seinem Ausscheiden bei Dow Chemical Co. im Jahr 2002 als leitender Forschungsspezialist. Er verfügt über mehr als 47 Jahre Erfahrung in der Konstruktion und im Betrieb im Bereich Schüttguthandling und pneumatische Förderung. Er besitzt einen MS in Maschinenbau von der University of Wisconsin-Madison und einen MBA vom West Virginia College of Graduate Studies in Charleston.