Katı yığınların akış özelliklerinin belirlenmesi ve silo tasarımı

Abstract

KATI YIĞINLARIN AKIŞ ÖZELLİKLERİNİN BELİRLENMESİ VE SİLO TASARIMI ÖZET Yığın halindeki katı malzemelerle ilgilenen birçok endüstri dalı vardır. Bu malzemeler; kozmetik endüstrisindeki çok ince tanecikli tozlardan tarımcılık ve gıda endüstrisindeki ve tohum, un ve nişastaya, mineral ve maden endüstrisindeki cevher, çimento ve kömüre kadar çeşitlilik göstermektedir. Bu malzemelerin yönetimi (depolanması, nakledilmesi ve boşaltımı) bu endüstrilerde önemli bir işlemdir. Katı yığınları depolama gereksinimdeki artışla beraber depolama silolarında sorunsuz bir akış elde etmek daha önce olduğundan daha önemli bir konu haline gelmiştir. Bu yüzden; büyüklük, bileşim ve nem içeriği gibi malzeme karakteristiklerinin silolarda katı malzemelerin statik ve dinamik koşullardaki davranışı üzerindeki etkisini anlamak gereklidir. Bazı malzemeler diğerlerine kıyasla kolay bir şekilde akarlar. Nemli ve ince tanecikli katıların zor aktığı ve akışta tıkanmalara neden olduğu ise çok iyi bilinmektedir. Depolama esnasında genel olarak meydana gelen problemler katının topaklaşması, düzensiz besleme, taşma, kemerlenme, kanallarıma ve silo duvarlarına yapışmasını içermektedir ve bu problemler silo kapasitesini belirlenen değerlerin allına düşürmektedirler. Geçmiş yıllarda, katı yığınların yönetiminde, katı yığın malzemelerin çeşitli durumlardaki davranışlarını tanımlayan teoriler ve yöntemlerin geliştirilmesinde önemli ilerlemeler kaydedilmiştir. Depolama siloları ve boşaltım ekipmanlarının taşanım için geniş kapsamlı matematiksel modeller ve tasarım bilgileri yayınlanmıştır. Bu bilgiler, siloların yerçekimi etkisi altında sorunsuz ve tahmin edilebilir bir akış sağlayacak şekilde tasarlanabilmesine olanak sağlamaktadır. Bu akış modeli kütle akış olarak bilinmektedir. Jenike tararından geliştirilen teori ve katı yığınların akış özelliklerinin belirlenmesiyle kütle akış sağlayacak siloların boyutlandırılması mümkün olmuştur. Katı malzemelerin akış özelliklerini karakterize etmek için kullanılan standart yöntem kesme testidir ve bu testler sonucunda katıların akma sınırı hattı bilgisi elde edilir. Katıların diğer bütün akış özelikleri (iç sürtünme açısı, kohezyon, akış fonksiyonu, kinematik duvar sürtünme açısı, vs.) de bu akma sınırı hatlarından yola çıkılarak tespit edilirler. Yapılan bu çalışmada ilk olarak, 7 farklı malzemenin akış özellikleri (kohezyon ve akma sınırı hattının eğimi) Jenike kesme test cihazı kullanılarak belirlenmiştir. Bu amaçla, testlerde her malzeme için 4 farklı ön-kesme normal gerilme değerindeki (konsolidasyon seviyesindeki) akma sının hatları belirlenmiştir. 3 çeşit kum örneği (sankum, Yalıköy ve Safaalanı kumu), soda, kalker, dolomit ve kilin akış özellikleri orijinal nem içeriklerinde belirlenmiştir. Ayrıca Yalıköy kumunun düşük ve yüksek nem içerikleri için de testler yapılmıştır. Yalıköy kumunun orijinal nem içeriğinde xvıfarklı silo duvar malzemeleri (yüzey pürüzlülükleri farklı 2 çeşit beton, paslanmaz çelik ve normal sac) üzerindeki duvar akma sınırı hatları belirlenmiştir. Yalıköy kumu dışındaki malzemeler için duvar sürtünme testleri sadece daha pürüzlü beton yüzeyi ve paslanmaz çelikle yapılmıştır. Akış fonksiyonu (veya akış indeksi) ile karakterize edilen katıların akabilirliği kullanılan malzemeler için tespit edilmiş ve malzemeler sınıflandırılmıştır. Her iki testin sonuçlarına göre bulunmuş olan parametreler siloda kütle akış sağlamak üzere tasarıma uygulanmıştır. Kütle akış için gerekli silo duvar açısı (eğimi) ve kemer oluşumunu engellemek için gerekli minimum çıkış boyutu ölçülen değerlerle hem konik (dairesel kesit) hem de düzlem akış (dikdörtgen kesit) silolar için Jenike tasarım yöntemi kullanılarak hesaplanmıştır. Yapılan testlerin sonucunda, kohezyon değerlerinin artan normal gerilme değerleriyle birlikte arttığı ve yüksek nem oram ve küçük tanecik boyutunun da kohezyon değerlerini artırdığı bulunmuştur. Çalışılmış olan her malzeme için farklı konsolidasyon seviyelerinde iç sürtünme açı değerlerinde önemli bir farklılık yoktur. Çalışılan malzemeler arasında akışı en zor olan malzemenin kil ve akışı en kolay olan malzemenin ise soda olduğu tespit edilmiştir. Kil ve soda kohesif ve serbest akışlı malzeme olarak sınıflandırılırlarken, bütün diğer malzemeler kolay akışlı malzeme sınıfında bulunmuşlardır. Yüksek nem oram ve düşük tanecik boyutunun akış üzerinde ters bir etkisi olduğu söylenebilir. Yalıköy kumunun düşük nem içeriğindeki akışı orijinal nem içeriğindeki akışından daha kolayken, yüksek nem içeriğinde beklenildiği gibi daha zor bir akış elde edilmemiştir. Duvar akma sınırı hatlarına göre, bütün malzemeler için en zor akış betonun daha pürüzlü yüzeyi üzerinde gerçekleşirken en kolay akış da paslanmaz çelik üzerinde gerçekleşir. Beton duvar malzemesiyle paslanmaz çelikten daha yüksek duvar sürtünme açı değerleri elde edilmiştir. İstisnai bir durum olarak, sankum ve kalkerin paslanmaz çelikle elde edilen duvar sürtünme açı değerleri diğer malzemelerin paslanmaz çelikle elde edilen değerlerinden daha büyüktür. Beton silo duvar malzemesi üzerinde Safaalanı kumu, sankum, kalker ve kil için akış gerçekleşemez. Beton silolarda akış sadece Yalıköy kumu, dolomit ve soda için gerçekleşir, fakat yüksek duvar sürtünme açı değerleri konik silolarda düşük silo duvar açılarının elde edilmesine neden olmuştur. Aynı depolama kapasitesini karşılamak üzere, silo duvar açısı ne kadar küçükse silolar o kadar dik ve uzun olurlar. Dikdörtgen şekilli düzlem akış silolar aynı malzeme özellikleriyle düşeyle 8- 10° kadar daha büyük silo duvar açılarına izin vermektedirler. Son olarak, silo duvar malzemesi olarak beton yerine paslanmaz çelik kullanmanın ya da düşük silo duvar açı değerlerinin elde edildiği durumlarda konik yerine düzlem akış silolar tercih edilmesinin daha iyi olacağı sonucuna varılmıştır. xvıı

DETERMINATION OF FLOW PROPERTIES OF BULK SOLIDS AND SILO DESIGN SUMMARY There are many industry branches which deal with solid materials in bulk form. These materials include very fine powders in the pharmaceutical industry, seeds, flour and starches in the food and agricultural industry and ore, cement and coal in the mineral and mining industry. The handling (storage, transportation and discharge) of these materials is an important operation in these industries. With the increase in the need to store bulk solids, reliable flow from storage devices has become more important than ever before. Therefore, it is essential to understand the effect of material characteristics such as size, composition and moisture content on the static and dynamic behavior of solid materials in silos (bunker, bin). Some materials may flow in a better way compared to others. It is also well known that wet and fine solids flow poorly and cause obstructions in the flow. Problems that commonly occur in storage bin operation include solids aggregation, erratic feeding, flooding, arching, piping and adhesion to the bin walls, which reduce the bin capacity below the specified values. In recent years, considerable advances have been made in the development of theories and procedures to describe the behavior of bulk solids under the variety of states in bulk solids handling operations. Comprehensive mathematical models and design information have been established for storage bins and discharge equipment design. These information enable bins to be designed to provide reliable and predictable flow under the influence of gravity. This flow model is known as mass flow. With the theory developed by Jenike and the determination of the flow properties of bulk solids, sizing silos providing mass flow has been possible. The standard method to characterize flow properties of solid materials is the shear testing which provides the information for the yield locus of the solid in question. All of the other flow properties (angle of internal friction, cohesion, flow function, kinematic angle of wall friction, etc.) of solids are also determined from the yield loci. In this study, first of all, flow properties (cohesion and slope of the yield locus) of 7 different materials were determined by using Jenike shear tester. For this purpose, in the tests, yield loci were determined at 4 different pre-shear normal stress values (consolidation levels) for each material. Flow properties of 3 different sand samples (Yalıköy, Safaalanı and yellow), soda, limestone, dolomite and clay were measured at intrinsic moisture contents. Additional tests were also carried out at low and high moisture contents for Yalıköy sand. Wall yield loci of Yalıköy sand on different silo liner materials such as 2 different types of concrete differing in surface roughness, stainless steel and normal sheet iron were determined at intrinsic moisture content. xvmFor materials except Yalıköy sand, wall friction tests were performed only with rougher surface of concrete and stainless steel. Flowability of solids which is characterized by flow function (or flow index) was investigated for used materials and materials were classified. The parameters, found according to the results of both tests, were applied to design to obtain mass flow in a silo. The hopper half angle (slope) required for mass flow and minimum outlet size to prevent arching were calculated for both conical (circular section) and plane flow (rectangular section) hoppers with the measured values using Jenike' s design procedure. As a result of these tests, it has been found that cohesion values increase with increasing normal stress values and high moisture content and small particle size also increases cohesion values. There is not a significant difference between the angle of internal friction values at different consolidation levels for all studied materials. It has been observed that the material which has the hardest flow is clay and soda has the easiest flow among the studied materials. While clay and soda has been classified as cohesive and free flowing material, all other materials have been found in easy flowing material class. It can be said that high moisture content and low particle size has an adverse effect on the flow. While the flow of Yalıköy sand at low moisture content has been easier than its intrinsic moisture content, a more difficult flow hasn't been obtained at high moisture content as expected. According to the wall yield loci, the most difficult flow occurs on the rougher surface of concrete whereas the easiest flow occurs on the stainless steel for all materials. Higher wall friction angle values have been obtained with concrete wall material than stainless steel. As an exceptional case, wall friction angle values obtained for yellow sand and limestone with stainless steel are so higher than the values obtained for other materials with stainless steel. The flow couldn't be attained for Safaalam sand, yellow sand, limestone and clay on concrete silo wall material. The flow in concrete silos only occurs for Yalıköy sand, dolomite and soda, but high wall friction angle values have caused to obtain low hopper wall angles with conical hoppers. To satisfy the same storage capacity, the smaller silo wall angle, the steeper and taller the silo. The rectangular shaped (plane flow) hopper allows a 8-10° larger hopper wall angle against the vertical with the same material properties. Finally, it has been concluded that it is better to use stainless steel instead of concrete as silo wall material and to prefer plane flow hoppers instead of conical hoppers in the case of low hopper wall angle values. xix