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粉末登場:儲倉流場的內部世界

104/09/02 瀏覽次數 4119
處處可見儲倉

儲倉的應用非常普遍,最常見的就是穀倉。古代的人類過著游牧生活,為了尋找糧食,不斷地從一個地區遷徙到另一個地區。進入農業社會後,糧食的保存技術變得非常重要,為了一年四季都能有充足的糧食而發明了穀倉。為了增加穀物的儲存量,穀倉規模從最初的倉房演變到較大型的倉樓,而現代社會的大型穀倉桶,規模已達十幾層樓高。

其他常見的如水泥儲槽,高度也常達幾十層樓,可裝填幾萬公噸水泥。另外,像火力發電廠用來儲存燃煤的煤倉,也是大規模儲倉的應用,林口發電廠就蓋了10座7萬公噸等級的筒式煤倉。儲倉的種類繁多,就尺寸而言,大如穀類、飼料、水泥儲倉,小如計時沙漏;就使用方式而言,可分為長期與短期儲放、需反覆存入與排出、需填裝入容器等。

比較常見儲倉的類型,第一種是垂直儲槽,用來儲存大量固體。第二種是圓柱體儲槽,高度大於直徑的1.5倍,可在狹小的面積儲存大量物料。第三種是漏斗槽,一般是圓錐狀或角錐狀,附設在儲槽下方,可用來漸縮物料,兼具儲存與滑槽的功能。第四種是桶槽,一般多用於存放液體和氣體。

儲倉破壞因素

造成儲倉系統破壞的因素,主要有設計、結構與操作誤差3個。

設計誤差方面,最常見的是未考慮儲倉所裝填的材料特性或內部流場型態,導致倉體損壞。另外,有些儲倉內部常會裝設優化流場如阻礙物、流動校正單元或監測儀器,但未考慮這些元件必須承受的壓力,使得物料裝填進去後產生的壓力或物料流動時產生的不良流場損壞了這些元件。而在設計儲倉時,未考慮倉體內部的溫度、溼度,也會導致物料甚至倉體的損壞。

結構上的誤差通常是使用不正確螺栓、誤置鋼筋材料、材料的類型或厚度不對,以及施工期間任意修改專家的設計而造成損壞。

操作誤差即不正確使用儲倉系統,例如存放的物料變更,使系統壁面負荷增大,影響流場型態。因為物料的性質決定倉體壁面所承受的壓力,而溼度、溫度,甚至不同的物料排放流場也會造成物料對於倉體壁面的磨損。

其他會造成儲倉損壞的原因,包括進料時物料對倉體所產生的衝擊,遠大於排放時物料流動對倉體的衝擊。而倉體內部的溫度、溼度使物料產生化學變化,也會導致無法預測的損壞。再者,如在倉體連接會移動運轉的設備如進料器、物料供給器或攪拌器時,由於長期的震動,有時會造成倉體結構上的材料疲乏,最後崩壞。

槽內的流動型態

當儲槽內部的物料需要反覆存入與排放時,會造成物料的流動行為,而各種儲槽內部的流場型態,也會影響儲槽的功能。

儲倉內的流動型態可以分為兩大類:漏斗流與質量流。前者又稱為核心流,中心較四周流動速度高,以致中間粒子的水平高度較四周低,壁邊的粒子會有停滯現象而產生停滯區。漏斗流最常見的缺點就是顆粒物料有後進先出的情形,使物流順序難以控制而降低儲存能力,以及排出流率不穩,食品或藥品類的物料最為明顯。例如食品儲倉,後存入的食品物料因為填在較中間的位置,排放時就會先排出去,但較早存入的物料,有可能因放到靠近倉體邊壁的位置而無法排出,一直儲存在儲倉內,新鮮度大打折扣。

漏斗流的另一個缺點,就是會因有停滯區而產生鼠洞(rathole)。因為當粒子排出時,會成貫穿性排出,粒子由孔口上方的渠道排出,使壁側形成停滯區。若是高黏滯性粉體,則停滯區粉體會相互黏結,不易向中心渠道倒塌,因此排出口上方呈現貫穿中空空間。鼠洞的產生跟儲倉形狀設計、粒子性質及外界環境有關,通常是加裝震動器或注入氣體,若凝結情況嚴重,則用機械攪拌或刮除,但兩者都會影響物料排放時的流場順暢度,降低儲倉的使用效率。

但為了解決鼠洞的問題,有時卻會因而產生泛洪(hooding)現象,即當用震動器或注入氣體破壞鼠洞的結構時,倉體邊壁原本凝結靜止的物料會忽然崩塌,從出口或間隙溢出,嚴重影響排料的穩定性。因此,許多儲倉下方排放口會裝設減小間隙的旋轉供給器,或在較小的物料粉體中混入防止泛洪的粗顆粒體,以穩定排料時的流率。

此外,為了監測儲倉物料的存量,通常會裝設料位偵測器。但若偵測器被停滯區的物料覆蓋,就無法準確傳回料位高度的訊號,導致誤判存量,這也是漏斗流時常遭遇的問題。

相對於漏斗流,質量流是較理想的流動狀態,其中心與四周流動速度相等,所有在儲槽中的顆粒都成流動狀態,不會有停滯現象與鼠洞問題。質量流的優點就是消除儲槽中停滯區的產生,且是先進先出,能夠降低儲藏時發生結塊、剝蝕或分離現象,具有最佳的儲存與流動能力。缺點就是因為整體的物料都在流動,倉體壁面的磨耗高,會加速壁面的損壞。

架橋問題

架橋是儲槽排料時最常遭遇的問題,造成物料粉體供料不穩定或完全停止,因而影響操作程序。架橋是因為物料粉體的附著力與摩擦力會在粉體中的某層產生與上方粉體壓力達到平衡的支撐力,即使這粉體層下方支撐力是0,粉體也能保持靜態平衡。

造成架橋的第一個原因是物料顆粒互相摩擦、牽制所致,通常在排放顆粒的形狀較不規則,且其出口孔徑過小而沒達到粒徑的某一倍數時發生。粒子在儲倉內流動時,其凸出角相互摩擦,出口處產生拱形堆積,使流動完全停止,常見於球形度差的顆粒如礫石、煤炭、焦炭等。通常以增大儲倉的出口尺寸,或在出口處施以強力衝擊如用震動器或人工敲打來解決。

第二個原因是當排放物料是細小或黏滯力強的粉顆粒粉體時,粉體可能因吸收空氣中溼氣使含水量增加,或儲存時間過久,底部顆粒因上方粉體重量而壓密,在漏斗槽出口處產生緊密拱形堆積。這主要發生於麵粉、粉煤、水泥、藥粉、石灰石等細小粉體的輸送過程,因此必須考量儲倉的存放環境、堆放時間、粉體特性等而改良儲倉的設計。

物料分離問題

儲倉排料時,另一常遇到的問題是物料顆粒的分離。當固體顆粒流動時,會因為粒徑大小、比重、形狀、表面形狀、成分等差異,使顆粒產生分離現象而衍生出很多問題。例如,食品會混合多種原料搭配出消費者最愛的口味或外觀,但當一批混合好的食品儲存到儲倉後再排料時,卻因為各種食品原料的性質不同,在儲倉內流動時產生分離,使排出的原料有多變的顏色、外觀、口味而影響品質。分離也會造成製程延誤,因為從儲倉排出的物料成分不夠均勻,後續製程就需花額外的時間再度混合這批物料,成本因而提高。

解決物料分離的問題,最常見的就是在儲倉內裝設攪拌器或阻礙物、流動校正單元去改變流場型態,把分離效應降到最低。另外,因為分離不僅在排料過程中發生,有時在最初的進料時就會產生,所以可架設各種混合進料器,確保物料以最均勻、最混合的狀態進入儲倉。

儲倉管理日益重要

儲倉的應用已非常普遍,但隨著各個產業的進步,對於儲倉的要求也更為嚴格,儲倉管理、保養、監測等工作日益重要。

目前,有越來越多監控儲倉的設備,包括液態料位、固態料位等監控物料儲量的儀器,或倉體內溫溼度監控儀器,甚至是人員安全防護設備,都讓儲倉使用者更容易監控與管理物料。當然,對於倉體結構的定期檢修保養,以提升儲倉的使用壽命,也是使用者不能忽略的工作。
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