空気圧輸送パイプラインの経験則

Jan 18, 2024

2012年5月1日 | Amrit Agarwal、空気圧搬送コンサルタント著

搬送システムの設計中に、搬送パイプラインとそのコンポーネントの設計に十分な注意が払われないことがよくあります。 この無視は、搬送速度の低下、搬送ラインの詰まり、搬送ラインの過度の磨耗、搬送システムの高い圧力降下、製品の破損、微粒子やストリーマの生成、製品の相互汚染など、搬送システムに重大な問題を引き起こすことがよくあります。 この記事で紹介するガイドラインは、このような問題を軽減または回避するのに役立ちます。

建設資材。 パイプ自体には、汚染が問題にならない場合には炭素鋼を使用してください。 それ以外の場合は、アルミニウムまたはステンレス鋼を使用してください。 食品や医薬品用途にはステンレスを使用してください。 研磨性固体、高温などの特殊な用途では、搬送ラインとそのコンポーネントに適した材料を見つける必要があります。

圧力定格。 搬送パイプラインの圧力定格は、搬送システムの最大搬送圧力に適している必要があります。 ルーツ型ブロワーを使用するほとんどの用途では、圧力定格 30 psig で十分です。 この定格は、スケジュール 10 パイプの定格に対応します。 高圧用途には、スケジュール 20、30、または 40 などの太いパイプを使用します。

温度定格。 輸送パイプラインの温度定格は、輸送ラインが経験する最低温度と最高温度に適している必要があります。 これらの温度は、周囲温度、搬送空気温度、固体温度によって異なります。

パイプラインのジョイント。 パイプラインを分解する必要があるため、パイプラインのセグメントを互いに溶接してはなりません。 パイプラインを簡単に解体できるように、これらのセグメントを結合する必要があります。 フランジを使用することもできますが、高価であり、ボルトを外すのも簡単ではありません。 接合部が 100% 漏れを防止する必要がある場合に使用する必要があります。 簡単に開けられるパイプラインカップリングの使用が一般的です。 必要に応じてパイプラインを分解できるように、簡単にアクセスできるようにジョイントを配置します。

カップリングまたはフランジの内径はパイプの内径と等しくなければなりません。 隣接するパイプセグメントの両端は、内部の突出や両端の間に隙間がないように、互いに正確に位置合わせする必要があります。

パイプラインの内面。 内面はきれいで、油や錆がないことが必要です。 いわゆるストリーマー (プラスチックの劣化生成物) を生成する可能性のあるプラスチックを扱う場合を除き、滑らかな内部を使用できます。 その場合は専用工具を使用して内面を粗面化します。

たとえば、ペレットプラスチックサービスにおける希薄相の搬送ラインは、一般にストリーマの形成を防ぐために内面が粗くなっています。 (ストリーマーの他の一般的な名前は、エンジェルヘアーまたはスネークスキンです)。 ストリーマは、プラスチック粒子が高い搬送速度で滑らかなパイプ壁に低い入射角で衝突すると形成されます。 衝撃のエネルギーは、粒子の接触点で表面を溶かし、パイプの壁にクレヨンのような薄い膜の跡を残すのに十分です。 この薄膜はその後の衝撃により伸び続け、急速に冷えてストリーマ状にパイプ壁から剥がれます。 このストリーマの長さは、数分の 1 インチまたは 2 ～ 3 フィート、あるいはそれより長い場合もあります。 長くて細いストリーマは、保管容器内で気流に乗って浮かんだり渦を巻いたりして、丸まって鳥の巣のようなものを形成する傾向があります。

いずれにせよ、ストリーマの最終的な結果は、スライド ゲート、フィーダー、スクリーナー、機械式コンベヤー、およびホッパーの詰まりです。 この問題を解決する最善の解決策は、パイプラインの内側を粗くすることでストリーマを作成しないようにすることです。 粗面化 (またはスコアリング) は、社内の仕様を使用するか、この専門知識を持つベンダーのいずれかを使用して、特殊なショットピーニング方法によって行われます。 ベンダーはスコアリングを適用するための独自の技術を持っています。 十分にスコアリングされたパイプは、再スコアリングが必要になるまで少なくとも 1 年は使用できるはずです。

特に硬い材料や研磨性の材料を搬送する場合には、切り込みの寿命を延ばすために、アルミニウム製エルボを陽極酸化する必要があります。 相対コストに応じて、オプションとしてステンレス鋼エルボも使用できます。

軟質プラスチックを扱う搬送システムにはスコアリングが推奨されますが、これには 2 つの明らかな欠点があります。 搬送システムでの圧力損失は滑らかなパイプ内での圧力損失よりも高く、表面が粗くなっているため、粒子の磨耗が発生します。 ペレット化プラスチックシステムでは、大量の微粒子が生成されます。 その後、搬送システムの最後でペレットを水簸または空気洗浄する必要があります。

静電気。 静電荷を発生する固体を取り扱う場合は、この電荷を地面に伝導するパイプラインを構築する必要があります。 パイプラインの接続部では、各接続部に静電伝導ジャンパーを使用して、この電荷が地面に流れるようにする必要があります。 パイプラインを組み立てた後、最初から最後まで接地に対する抵抗を確認してください。 1 オームを超えてはなりません。

パイプラインのサポート。 パイプには標準的な 20 フィートの長さがあります。 したがって、パイプラインには 20 フィート以下ごとにサポートを設けてください。 重量によるパイプラインのたるみを防ぐために、これらのサポートを配置します。 設置後、パイプラインが真っ直ぐで、たわんでいないことを確認してください。 パイプラインが高温により膨張する可能性がある場合は、この膨張を考慮してサポートを設計してください。 パイプラインを、解体するために簡単にアクセスできるように配置します。

曲がります。 曲げ部の構造材料、圧力定格、温度定格はパイプの材質と同じである必要があります。 標準的な短半径ベンドは、圧力損失を考慮して搬送ラインでは使用されません。 研究によると、半径が長い曲げでは圧力損失が小さくなります。 これらの研究の結果を図 1 に示します。曲げ半径とパイプ直径の比が 8 ～ 10 の長い半径の曲げでは、圧力損失が低くなります。

一部のベンダーは、製品の劣化や曲げの浸食を軽減するために、Hammertek、Vortice Ell、Gamma ベンド、ブラインド ティーなどの特殊なベンドを開発しています。

空気またはガスの供給ライン。 送風機を固形物の入口または出口の近くに配置して、このラインの長さをできるだけ短く保ちます。 必要に応じて大きな直径のラインを使用して、このラインの圧力降下を最小限に抑えます。 食品および医薬品用途を除き、炭素鋼構造を使用できます。 圧力と温度の定格は輸送パイプの定格と同じにすることができます。 このラインの固形物入口の上流（圧力式システムの場合）または出口点の下流（真空式システムの場合）に逆止弁を設けて、固形物が搬送ブロワーに逆流するのを防ぎます。

切換弁は、固体と空気の流れを 1 つの搬送ラインから 2 つの目的地のいずれかに変更するか、2 つの搬送ラインのいずれかから 1 つの搬送ラインに変更するために使用されます。 ダイバータバルブの最も重要な特徴は次のとおりです。

• 使用済みポートから未使用ポートへの空気や固体の漏れがないように、確実に遮断します。 これは気密シールを使用して行われます

• フルポート設計なので、バルブの内部断面積が搬送ラインの断面積と実質的に同じになります。

これらのバルブはさまざまな設計で作られていますが、いわゆるトンネル、チャネル、またはプラグ タイプがより一般的です。 迂回位置は、スルー位置に対して 30 度または 45 度のいずれかです。 圧力降下が少ないため、トンネル型またはチャンネル型の切換弁を使用することを好みます。

バルブの圧力定格を輸送パイプラインの圧力定格と同じに保ちます。 バルブハウジングの圧力定格は通常 150 psig で、チャネルまたはプラグの圧力定格は搬送ラインの圧力定格と同じである必要があります。

バルブの固着を防ぐために、バルブが最も低い周囲温度と最も高い内部温度で動作するように設計されていることを確認してください。

ダイバータバルブは、ハンドホイール、T ハンドル、エアピストン、油圧シリンダー、または電気モーターによって操作できます。 多くの場合、プロセスに必要な計装の程度に応じて、バルブ位置を検出するために分流用のリミット スイッチまたはスルー インジケータが取り付けられます。 バルブの位置を変更している間は、搬送システムを停止し、搬送ラインから固形物を取り除く必要があります。 この時間は通常約 15 秒です。

バルブの構造材料は、用途と輸送される固体によって異なります。 最も一般的な構造材料は、鋳造アルミニウムの本体と、ステンレス鋼のプラグとステンレス鋼のシャフトを備えたエンドプレートです。 アルミニウムは耐摩耗性を向上させるために陽極酸化処理される場合があります。 バルブ内部または外部への漏れを防止するためにシールおよびパッキンを設けてください。 寿命を延ばすために、アルミニウム製の搬送ラインを使用する場合でも、ステンレス製のプラグを使用してください。 これは、高速固体衝撃による表面の摩耗を最小限に抑えるためです。 本体はアルミニウムまたはステンレス鋼から選択できます。

バルブは非常に高速に方向転換できなければなりません。 迂回時間は 5 秒未満が望ましいです。

フラッパータイプのダイバータは空気輸送ラインでの使用には適していません。 これらは主に、低圧ビン (2 psig 未満) からの固体の流れを制御するために使用されます。 ほとんどの場合、フラッパーの位置を変更する前に、ダイバーターの上にある遮断弁によって固体の流れを停止する必要があります。これは、ラインが固体でいっぱいの場合、フラッパーの位置を簡単に変更できないためです。

• バルブの直径は接続する供給シュートの直径と一致する必要があります。

• 摩耗を最小限に抑えるためにステンレス鋼製のフラッパーを使用します。 ハウジングはアルミニウムまたはステンレス鋼にすることができます。 フラッパーはどちらの位置でも完全に閉じる必要があります

• バルブの圧力定格は、接続する供給シュートの圧力定格と一致する必要があります。

フレキシブルホースは、鉄道車両やトラックなどのバルクコンテナの荷降ろしなど、短距離を除いて搬送ラインでは使用されません。 これにはいくつかの理由があります。 フレキシブルホースをまっすぐな水平または垂直の構成に保つのは難しく、たわんだり曲がったりする傾向があります。 圧力損失はパイプラインの圧力損失よりも高くなります。 また、内部と外部の両方で磨耗します。

フレキシブル ホースは金属製または合成製です。 合成ホースには内部に螺旋状に巻かれた金属ライナーが付いており、強度と耐久性が向上しています。 静電気を発生する固体を輸送する場合、導電性ホースが使用されます。 金属ホースは通常、空気漏れを防ぐためにステンレス鋼の内部ライナーが付いた編組ステンレス鋼です。

フレキシブルホースには次のような欠点があります。

• 固体の運動エネルギーの損失が大きいため、金属パイプよりも圧力降下が大きくなります。

• ホースの曲げや取り扱いによる頻繁な故障

• 大口径ホース (6 インチ以上) を手作業で扱うのが難しい

• プロセスシステム制御ロジックに組み込むのが難しい手動ホース接続

ホースの選択で考慮すべき考慮事項には、ホースの定格圧力、ホースへのフランジとニップルの接続方法、故障の影響の考慮事項、適切な静的接地、および選択したホースの最小曲げ半径が含まれます。

スライド ゲート バルブのガイドラインには次のものが含まれます。

• 固体の頭があっても完全に閉まるように、双方向の弾性シートバルブを使用してください。

• 金属製のシートや内部の棚を備えたバルブは使用しないでください。固形物がこれらの棚に蓄積し、バルブを完全に閉じることが困難になり、製品の相互汚染が発生する可能性があります。

• 腐食保護が必要な用途には、本体とゲートに鋳造 316 ステンレス鋼構造を使用してください。

・ボディスタイルはウエハースタイプであること

• バルブパッキンは、ポリテトラフルオロエチレン (PTFE) を使用した白い角編組アクリルフィラメントである必要があります。

• シートの材質は白いバイトンである必要があります。

• ヨークはステンレス鋼である必要があります。

• ボンネット内部に塵が蓄積するのを防ぐために、ボンネット部分にパージガスを供給します。

スライド ゲート バルブの設計と設置では、上部のビンからの流れパターンを維持する必要があります。 マスフロービンの場合、スライドバルブはマスフローを維持する必要があります。 これには、バルブの内径がビンの出口の内径と同じであること、およびバルブが完全に開いた位置または完全に閉じた位置でのみ使用されることが必要です。

上の容器に炭化水素や窒素などのガスが含まれている場合は、気密設計が必要になる場合があります。

遮断弁、逆止弁、または制御弁は、搬送システムの動作を妨げるため、固体と空気の混合物の流れを停止または調整するために搬送ラインでは使用されません。

ラインインジェクター。 ラインインジェクターは、固体を搬送ラインに注入するために使用されます。 図 2 は、固体をロータリーバルブから搬送ラインに供給するラインインジェクターを示しています。 この設計により、固体は垂直に落ちて山を形成するのではなく、搬送ラインに滴り落ちることができます。

圧力損失を最小限に抑えます。 圧力損失を最小限に抑えるためのガイドラインには次のようなものがあります。

• 水平線と垂直線の両方を含む目的地までの最短距離のパイプライン ルートを選択します。

• パイプラインの曲がりは圧力低下の主な原因となるため、パイプラインの曲がりの数を最小限に抑えます。 固体の速度は壁の摩擦や衝撃により曲がり部分で減少し、その後パイプラインの直線部分で増加し、追加の圧力降下が発生します (図 3 は圧力降下に対する曲がりの影響を示しています)

• 標準ベンドは圧力損失が最も大きいため、使用しないでください。 曲げ内径と曲げ半径の比が約 10 の曲げを使用します。 テストの結果、このような半径の長い屈曲部での圧力損失は、より小さな半径の屈曲部での圧力損失よりも小さいことが示されています。

• 30 度の切換弁を使用してみてください。 45 度の代わりに角度を変更します。 45度。 方向転換角は圧力損失の 2 倍になります

搬送速度を維持します。 塩析やラインの詰まりを防ぐために、搬送ライン全体で必要な固形物速度を維持する設計を選択してください。 ラインの詰まりを防ぐために、パイプライン内の固体速度は塩添加速度を下回ってはなりません。 これは、次の基準を使用して行われます。

• ピックアップポイントから最初の曲がり部まで、搬送ラインが水平で、曲がり部での塩析を防ぐのに十分な速度まで固形物を加速するのに十分な長さであることを確認してください。 固体の速度は、衝撃や壁の摩擦により、曲げ部では減少します。 この削減は固体に応じて 5 ～ 50% になる可能性があります。 50% 削減するには、曲がりに入る固体速度が塩添加速度より少なくとも 50% 高くなければなりません。 一般に、この水平線の長さは少なくとも 20 フィートですが、可能な場合はそれより長い線を使用してください。

• 最初の曲がりの後に、固体が最初の曲がりの入口と同じ速度まで再加速できるように、十分に長い水平線が得られるように 2 番目の曲がりを配置します。

• ベンドは背中合わせに設置せず、固体が再加速できるように互いに十分な距離を置いて設置してください。

• 長い搬送ラインの場合は、非常に高速になるのを防ぐために、パイプライン ルートの適切な点でパイプの直径を大きくします。 固体速度が最小搬送速度を下回らないこの点を選択します。 図 4 は、パイプ直径が 2 回増加したパイプラインを示しています。

• 輸送ガスは、パイプ継手、切換弁、ロータリーバルブ、その他の継手から漏れる可能性があります。 これらの損失に備えて、気密装置を使用するか、供給空気流量を増やしてください。

• 壁の摩擦により固体の速度が失われるため、上向きに傾斜したパイプラインの使用は避けてください。

固形物の破壊を最小限に抑えます。 搬送速度が速いと、壊れやすい固体粒子が破損します。 壊れやすい固体の場合、この破損は速度の 3 乗または 4 乗に比例する可能性があります。 この破損が許容できない場合は、低速の高密度相システムを使用するか、速度をできるだけ低く保ちます。

パイプラインの侵食を最小限に抑えます。 研磨性固体を取り扱う場合、パイプラインの浸食を防ぐためにパイプラインに特殊な構造材料を使用することが重要です。 パイプラインの曲がり部分は、真っ直ぐなパイプよりも早く侵食されます。 この問題を最小限に抑えるには、耐摩耗性の表面を備えた特別なベンド、または外側の背面が交換可能なベンドを使用します。 アルミなどの柔らかい素材は使用しないでください。 パイプラインに適した材料を選択する前に、固体の摩耗性を確認してください。 速度の2.5乗以上になると摩耗が増加しますので、搬送速度は極力下げてください。 速度が 2 倍になると、摩耗は 6 倍に増加します。 異なる材質間のこの摩耗の関係については、図 5 を参照してください。

アムリット・アガルワ l は、Pneumatic Conveying Consultants (7 Carriage Road、Charleston、WV、25314、電話: 304-553-1350、電子メール: [email protected]) のコンサルティング エンジニアです。 彼は、2002 年にダウ ケミカル社を退職し、上級研究スペシャリストとしてコンサルティングの仕事を始めました。 彼は、バルク固体の取り扱いと空気圧輸送において 47 年以上の設計と運用の経験を持っています。 彼はウィスコンシン大学マディソン校で機械工学の修士号を取得し、チャールストンのウェストバージニア大学院大学で MBA を取得しています。