Artikel Sicherheitsaspekte bei Anlagen zur Kunststoffaufbereitung (Teil 1)

Sicherheit im Feststoffhandling wird meist unter dem Aspekt von Staubexplosionen betrachtet – eine ernstzunehmende Gefahr bei allen feinen und brennbaren Pulvern. Die Gefahr ist umso größer, wenn zu einer Mischung aus Pulver und Luft auch noch brennbare Gase, etwa in Form von Kohlenwasserstoffen, hinzu kommen. Doch der sichere Betrieb eines Systems in dem Feststoffe gehandhabt werden, zum Beispiel einer Siloanlage wird zum großen Teil auch von dessen Auslegung beeinflusst. Dabei geht es nicht nur um die Erfüllung von Normen und Regeln oder die Schulung des Personals. Genauso wichtig sind eine solide Konstruktion sowie zuverlässiges Equipment, die stabile Betriebsbedingungen überhaupt erst möglich machen.

Jede Anlage, die über ihre ursprüngliche Kapazität hinaus betrieben wird, neigt aufgrund von Überlastung der Anlagenkomponenten zu unsicheren Betriebszuständen. In der Folge kann es dazu kommen, dass gefährliche Stoffe austreten oder Wartungspersonal beispielsweise während vorübergehenden Stillständen gefährdet wird. Selbst wenn die Betriebsbedingungen auf der Basis von sorgfältigen Risikoanalysen geplant wurden, kann das Betriebspersonal dann einer weniger sicheren Arbeitsumgebung ausgesetzt sein. Deshalb kommt es besonders bei Wartungsarbeiten zu Unfällen. Um das Auftreten unsicherer Zustände zu vermeiden, haben Sicherheitsstudien und Risikoanalysen (HAZOPs) an Bedeutung gewonnen.

Betriebssicheit durch sichereAuslegung erhöhen

In Kunststoffanlagen umfassen Komponenten des Feststoffhandlings hauptsächlich Lagerbehälter, Misch- und Entgasungsvorrichtungen für Polymere und Additive sowie die Fördersysteme. Behälter stehen bei den Sicherheitsüberlegungen für Auslegung, Installation und Betrieb im Vordergrund, da sie in der Regel ein großes Volumen, bis hin zu 1000m3 und mehr aufweisen.

Silos werden so konstruiert, dass sie standsicher sind und die erforderliche Leistung erbringen. Die Leistung eines Silos ist dadurch definiert, dass ein sicheres Fließprofil und ein ungehinderter Massenstrom erreicht werden. Silos müssen auf Basis der individuellen Fließeigenschaften der darin zu lagernden Schüttgüter ausgelegt werden. Diese Eigenschaften werden mit Schergeräten wie der Jenike-Scherzelle oder dem Schulze-Ringschertester bestimmt. Inzwischen wurden die Versuchsanleitungen für Schertests genormt, wodurch die Aussagekraft der Testdaten gestiegen ist und zu einer höheren Zuverlässigkeit in der Auslegung führt [2]. Insbesondere die Schüttgutdichte, Wandreibung, innere Reibung, Druckfestigkeit und Aspekte der Zeitverfestigung sind durch solche Versuchsanleitungen bestimmt. Denn diese Eigenschaften werden nicht nur für die Auslegung genutzt, um einen störungsfreien Auslauf zu erzielen, sondern auch für die Festigkeitsberechnung.
Die sich in einem Silo ausbildenden Fließprofile werden als Massenfluss und Kernfluss (siehe Bild 1) definiert. Beim Massenfluss treten keine toten Zonen oder Schächte auf. Eine Entmischung wird minimiert, da sich das Schüttgut im Auslaufbereich wieder vermischt. Die Verweilzeitverteilung ist eng, d.h. dieses Fließprofil führt dazu, dass die zuerst eingefüllten Schüttgüter auch wieder zuerst ausgetragen werden. Dieses Fließprofil wird in den meisten Anwendungen der Chemieindustrie bevorzugt. Massenfluss-Silos erfordern einen steilen und glatten Trichter. Allerdings werden die meisten Silos heute mit einem Standard-Öffnungswinkel von 60° ausgelegt, was zu einer Kernflusswahrscheinlichkeit von ca. 75 % führt [3]. Bei Kernfluss wird Schüttgut über dem Auslauf zuerst ausgetragen, während sich zur Peripherie hin tote Zonen ausbilden. Diese Zonen können zu stabilen Schächten führen. Die Verweilzeitverteilung ist breit, d.h. was zuerst eingefüllt wird, kommt zuletzt heraus. Es kann zu Entmischungserscheinungen kommen und das zeitweilige Entstehen und Einstürzen von instabilen Schächten kann zu Staubentwicklung und einer steigenden Gefahr von Staubexplosionen führen.

Massenfluss statt Kernfluss

Um Massenfluss zu erreichen, sollte der eingeschlossene Öffnungswinkel des Trichters bei den meisten Kunststoffgranulaten nicht über 50° liegen. Für Polymerpulver liegt die Grenze bei 40°. Ob diese Leitlinie angewendet werden kann, muss für das jeweilige Produkt (Polymertype) überprüft werden und hängt außerdem von den Betriebsbedingungen, z.B. der Temperatur, ab. Abhängig von der Kohäsion des Schüttguts kann der Auslaufdurchmesser, der notwendig ist, um eine Brückenbildung zu verhindern, zwischen 100 mm für frei fließende Granulate bis hin zu 1000 mm für bestimmte Additive und klebrige Copolymere liegen. Große Austragöffnungen für einen ungehinderten Schüttgutstrom erfordern den Einsatz geeigneter Austragorgane, um den Auslaufmassenstrom zu begrenzen. Das Auftreten einer Zeitverfestigung kann diesen Wert noch deutlich erhöhen oder die Ruhezeit zwischen zwei Abzugsvorgängen limitieren.

Das Prinzip „Massenfluss“ sollte auch bei Misch- oder Entgasungssilos angewendet werden [4]. In Mischsilos würden tote Zonen die Mischwirkung begrenzen, während Kernfluss bei der Entgasung zu ungleichmäßig entgasten Produkten führen kann. Solche Mischsilos werden typischerweise mit Rohren oder internen Konus-Einbauten ausgerüstet und sind für Standard-Granulate und Pulver ausgelegt. Doch die Geometrie muss an die Schüttguteigenschaften der Kunststoffe angepasst werden. Bild 2 zeigt verschiedene Ausführungen von Mischsilos. Für Entgasungssilos sind dieselben steilen Trichter erforderlich. Diese sorgen für eine gleichmäßige Luftverteilung und ein gleichmäßiges Entgasen über das gesamte Behältervolumen. Die einfachste Gleichverteilung wird durch einen Belüftungsring erreicht, durch den die Verrohrung vereinfacht und der Druckverlust reduziert wird. Dieser Belüftungsring sollte möglichst weit unten angebracht werden, um den Anteil an nicht entgastem Material unterhalb des Lufteinlasses zu minimieren. Manche Anwendungen können mehrere Belüftungsringe erfordern, abhängig von dem insgesamt notwendigen Gasstrom. Eine einwandfreie Entgasung erhöht nicht nur die Polymerqualität, sondern reduziert auch das Explosionsrisiko auf Grund von Kohlenwasserstoff-Resten.

Festigkeitsmäßige Auslegung von Lager-, Misch- und Entgasungssilos

Die Druckverteilung in einem Silo unterscheidet sich wesentlich von der hydrostatischen Druckverteilung in einem Tank, da Schüttgüter Kräfte auch in Ruhe durch Reibung übertragen. Aus diesem Grund steigt der Druck nicht hydrostatisch mit der Füllhöhe, wie das bei Flüssigkeiten der Fall ist. Der maximale Druck in einem Silo liegt in der Regel deutlich unter 1 bar. Die Grundlage für die Druckberechnung bildet die Janssen-Gleichung, die aus einem Kräftegleichgewicht an einem Scheibenelement abgeleitet wird, das den gesamten Querschnitt des Silos umspannt [5]. Die meisten Auslegungsvorschriften und Normen basieren auf diesem Ansatz. Das am weitesten entwickelte Regelwerk für die Berechnung von Drücken in einem Silo ist die neue Fassung der DIN 1055, Teil 6, die 2005 veröffentlicht wurde [6]. Die Wandstärke von Silos muss danach gegenüber älteren Versionen erhöht werden, woraus mehr Sicherheit gegen das Beulen erreicht wird. Allerdings steigen die Kosten, da das Gewicht um fünf bis zehn Prozent steigt.

Die Druckverhältnisse in einem Silo werden von folgenden Parametern bestimmt: Dem Silo-Durchmesser, dem Wandreibungskoeffizienten zwischen Schüttgut und Wand sowie dem Horizontallastverhältnis, das üblicherweise aus der inneren Reibung bestimmt wird. Auf Grund der niedrigen Drücke in Silos sind vergleichsweise dünne Wände möglich. Diese sind für Silos ausreichend, in denen eine gleichmäßige Druckverteilung über den ganzen Umfang herrscht, was im Normalfall zu erwarten ist. Allerdings gibt es zahlreiche Ursachen für die Ausbildung asymmetrischer Fließzonen. Dazu gehören beispielsweise teilweise geöffnete Schieber, zusätzliche seitliche Ausläufe, Verzweigungen (Y-Stücke) zu nahe am Auslauf sowie ungeeignete Austragorgane. Oder aber die Ausbildung asymmetrischer Fließzonen resultiert aus den Inhomogenitäten beim Fließen eines kohäsiven Schüttgutes. Asymmetrische Fließzonen haben eine ungleichmäßige Druckverteilung zur Folge und verursachen Beulen – eines der häufigsten Probleme beim Betrieb von Silos. Massenfluss und die korrekte Auslegung des Siloaustrags helfen, dies zuverlässig zu vermeiden.

Ungleichförmige Lasten auf Einbauten reduzieren

Bei der Auslegung von Mischsilos ist das Konzept „Massenfluss“ aus zwei Gründen zwingend: Erstens ist Massenfluss notwendig, um ungemischtes Schüttgut aus toten Zonen zu vermeiden, insbesondere beim Betrieb mit Umwälzung. Zweitens wird durch Massenfluss eine sehr viel gleichmäßigere Druckverteilung im Silo – und besonders an Siloeinbauten – erreicht. Deshalb ist Massenfluss die einzige Möglichkeit, die auf Einbauten wirkenden Lasten zu reduzieren. Um die auf Einbauten wirkenden Lasten zu berechnen, müssen Lastmodelle entwickelt werden [4]. Ein solches Modell muss die Druckdifferenz berücksichtigen, die sich beim beginnenden Fließvorgang entwickelt. Dieses Lastmodell basiert auf der Janssen-Gleichung und der Differenz der horizontalen Drücke, wie sich aus der DIN-Norm zischen dem Füll- und dem Entleerungszustand ergibt. Durch die Anwendung von Modellen, die auf der Schüttgutmechanik basieren, ist es möglich, Einbauten sicherer und weniger fehleranfällig auszulegen.

Beim Auslegen von Silos sind allerdings nicht nur die internen Kräfte zu berücksichtigen, die aus den Schüttgutlasten, internen Überdrücken oder Vakuum resultieren. Auch externe Lasten, wie sie durch Wind, Erdbeben, Schnee, Aufbauten, Rohrkräften und Verkehrslasten entstehen, müssen in Betracht gezogen werden. Die einschlägigen Daten für Wind- und seismische Kräfte finden sich in örtlichen oder internationalen Tabellenwerken, insbesondere dem Uniform Building Code UBC 1997 [7].

Teil 2 der Artikelserie vergleicht verschiedene Fördersysteme und Besonderheiten bei deren Auslegung (CT 4/09)

Autor: Dr. Harald Wilms
Ausgabe:03/2009 März