Règles empiriques pour les pipelines de transport pneumatique

Jun 06, 2023

1 mai 2012 | Par Amrit Agarwal, consultants en transport pneumatique

Très souvent, lors de la conception des systèmes de convoyage, une attention insuffisante est accordée à la conception de la canalisation de convoyage et de ses composants. Ce non-respect entraîne souvent des problèmes majeurs du système de convoyage, tels que de faibles débits de transport, le colmatage de la ligne de convoyage, une usure excessive de la ligne de convoyage, une chute de pression élevée du système de convoyage, des ruptures de produit, la génération de fines et de banderoles et la contamination croisée des produits. Les directives présentées dans cet article permettent d'atténuer ou d'éviter de tels problèmes.

Matériaux de construction. Pour le tuyau lui-même, utilisez de l'acier au carbone si la contamination n'est pas un problème. Sinon, utilisez de l'aluminium ou de l'acier inoxydable. Utilisez l'acier inoxydable pour les applications alimentaires et pharmaceutiques. Pour les applications spéciales telles que les solides abrasifs, les températures élevées, etc., il est nécessaire de trouver un matériau approprié pour la ligne de transport et ses composants.

Note de pression. La pression nominale de la canalisation de transport doit être adaptée à la pression de transport maximale du système de transport. Pour la plupart des applications avec un ventilateur de type Roots, une pression nominale de 30 psig est satisfaisante. Cette cote correspond à la cote d'un tuyau de l'annexe 10. Utilisez des tuyaux plus épais, tels que Schedule 20, 30 ou 40 pour les applications à haute pression.

Indice de température. La température nominale de la conduite de transport doit être adaptée aux températures minimales et maximales subies par la conduite de transport. Ces températures dépendent de la température ambiante, de la température de l'air de transport et de la température des solides.

Joints de canalisation. Les segments de canalisation ne doivent pas être soudés les uns aux autres en raison de la nécessité de démonter la canalisation. Ces segments doivent plutôt être joints pour permettre un démontage facile de la canalisation. Des brides peuvent être utilisées, mais elles sont coûteuses et difficiles à dévisser. Ils doivent être utilisés là où le joint doit être étanche à 100 %. L'utilisation de raccords de canalisation faciles à ouvrir est courante. Localisez les joints pour un accès facile afin de permettre le démontage de la canalisation si nécessaire.

Le diamètre intérieur des raccords ou des brides doit être égal au diamètre intérieur du tuyau. Les deux extrémités des segments de tuyau adjacents doivent être vraiment alignées l'une avec l'autre afin qu'il n'y ait pas de saillie interne et qu'il n'y ait pas d'espace entre les deux extrémités.

Surface interne de la canalisation. La surface intérieure doit être propre et exempte d'huile et de rouille. Un intérieur lisse peut être utilisé, sauf lors de la manipulation de plastiques qui peuvent générer ce que l'on appelle des streamers (un produit de dégradation du plastique). Dans ce cas, la surface intérieure est rendue rugueuse par des outils spéciaux.

Par exemple, les conduites de transport en phase diluée dans le service des plastiques granulés sont généralement rendues rugueuses sur la surface intérieure pour empêcher la formation de banderoles. (D'autres noms communs pour les banderoles sont les cheveux d'ange ou les peaux de serpent). Les flûtes se forment lorsqu'une particule de plastique à une vitesse de transport élevée frappe la paroi lisse du tuyau à un faible angle d'incidence. L'énergie de l'impact est suffisante pour faire fondre la surface des particules au point de contact et laisser une mince marque de film semblable à un crayon sur la paroi du tuyau. Ce film mince continue de croître en longueur en raison des impacts ultérieurs, se refroidit rapidement et se détache de la paroi du tuyau sous la forme d'une banderole. La longueur de cette banderole peut être d'une fraction de pouce ou de deux à trois pieds de longueur, voire plus. De longs serpentins minces ont tendance à flotter et à tourbillonner sur le courant d'air dans les récipients de stockage jusqu'à ce qu'ils se boulent pour former quelque chose qui ressemble à un nid d'oiseau.

Dans tous les cas, le résultat net des banderoles est des vannes coulissantes, des alimentateurs, des cribles, des convoyeurs mécaniques et des trémies bouchés. La meilleure solution pour résoudre ce problème est d'éviter de fabriquer des banderoles, ce qui se fait en rendant rugueux l'intérieur du pipeline. Le dégrossissage (ou rainurage) est effectué par une méthode spéciale de grenaillage, soit en utilisant des spécifications internes, soit en utilisant des fournisseurs qui ont cette expertise. Les fournisseurs ont leurs propres techniques propriétaires pour appliquer la notation. Un tuyau bien marqué devrait durer au moins un an avant de devoir être remarqué.

Les coudes en aluminium doivent être anodisés pour augmenter la durée de vie du rainurage, en particulier lors du transport de matériaux durs ou abrasifs. En option, des coudes en acier inoxydable peuvent également être utilisés en fonction de leur coût relatif.

Bien que le rainage soit recommandé pour les systèmes de convoyage qui manipulent des plastiques souples, il présente deux inconvénients distincts. La chute de pression dans le système de convoyage est supérieure à celle des conduites lisses, et une certaine usure des particules résulte de la surface rugueuse. Dans les systèmes de plastiques granulés, la quantité de fines générées est importante. Il sera alors nécessaire de décanter ou de laver à l'air les granulés à la fin du système de convoyage.

Charges statiques. Lors de la manipulation de solides qui génèrent une charge statique, des canalisations doivent être construites pour conduire cette charge au sol. Les joints de pipeline doivent permettre à cette charge de s'écouler vers le sol en utilisant des cavaliers conducteurs statiques à travers chaque joint. Après montage de la canalisation, vérifier sa résistance à la terre, du début à la fin. Il ne doit pas dépasser 1 Ohm.

Prise en charge des pipelines. Les tuyaux sont offerts en longueurs standard de 20 pieds. Par conséquent, prévoyez des supports pour le pipeline tous les 20 pieds ou moins. Localisez ces supports pour éviter tout affaissement du pipeline en raison de son poids. Après l'installation, assurez-vous que la canalisation est droite et non affaissée. Si le pipeline peut se dilater en raison de températures élevées, concevez les supports pour permettre cette dilatation. Localisez le pipeline de manière à ce qu'il soit facile d'accès pour le démontage.

Coudes. Le matériau de construction, la pression nominale et la température nominale des coudes doivent être les mêmes que ceux du tuyau. Les coudes standard à rayon court ne sont pas utilisés dans les conduites de transport en raison de considérations de perte de charge. Des études montrent que les coudes à long rayon ont une chute de pression plus faible. Les résultats de ces études sont présentés sur la figure 1. Les coudes à long rayon avec un rapport rayon de courbure/diamètre de tuyau de 8 à 10 ont une chute de pression plus faible.

Certains fournisseurs ont développé des coudes spéciaux tels que Hammertek, Vortice Ell, Gamma bend ou des tés aveugles, etc., pour réduire la dégradation du produit et l'érosion par courbure.

Conduite d'alimentation en air ou en gaz. Gardez la longueur de cette ligne aussi courte que possible en plaçant le ventilateur près du point d'entrée ou de sortie des solides. Minimisez la chute de pression dans cette ligne en utilisant une ligne de grand diamètre si nécessaire. La construction en acier au carbone peut être utilisée, sauf pour les applications alimentaires et pharmaceutiques. La pression et la température nominales peuvent être identiques à celles du tuyau de transport. Prévoyez un clapet anti-retour dans cette ligne en amont de l'entrée des solides (pour les systèmes de type pression) ou en aval du point de sortie (pour les systèmes de type vide) pour empêcher les solides de refouler dans le ventilateur de transport.

Les vannes de dérivation sont utilisées pour détourner le flux de solides et d'air d'une ligne de transport vers l'une des deux destinations ou de l'une des deux lignes de transport vers une seule ligne de transport. Les caractéristiques les plus critiques des vannes de dérivation sont les suivantes :

• Fermeture positive afin qu'il n'y ait pas de fuite d'air ou de solides du port utilisé vers le port inutilisé. Ceci est fait en utilisant des joints étanches au gaz

• Conception à orifice complet de sorte que la section transversale interne de la vanne soit essentiellement la même que celle de la ligne de transport

Ces vannes sont fabriquées dans différentes conceptions, mais les types dits à tunnel, à canal ou à clapet sont plus courants. La position de déviation est à 30 ou 45 degrés par rapport à la position traversante. Préférez utiliser des vannes de dérivation de type tunnel ou canal car elles auront des pertes de charge plus faibles.

Maintenez la pression nominale de la vanne identique à celle de la canalisation de transport. La pression nominale du boîtier de vanne est généralement de 150 psig, et la pression nominale du canal ou du bouchon doit être la même que celle de la conduite de transport.

Pour éviter le grippage des vannes, assurez-vous que les vannes sont conçues pour fonctionner à la température ambiante la plus basse avec la température interne la plus élevée.

Les vannes de dérivation peuvent être actionnées par des volants, des poignées en T, des pistons pneumatiques, des vérins hydrauliques ou des moteurs électriques. Des interrupteurs de fin de course pour les indicateurs de déviation ou traversants sont installés dans de nombreux cas pour détecter la position de la vanne, en fonction du degré d'instrumentation requis pour le procédé. Pendant que la position de la vanne est modifiée, il est nécessaire d'arrêter le système de transport et de nettoyer la ligne de transport des solides. Ce temps est typiquement d'environ 15 s.

Le matériau de construction des vannes dépend de l'application et des solides transportés. Les matériaux de construction les plus courants sont un corps en fonte d'aluminium et des plaques d'extrémité avec un bouchon en acier inoxydable et des arbres en acier inoxydable. L'aluminium peut être anodisé pour une meilleure usure. Fournir des joints et une garniture pour empêcher les fuites à travers ou vers l'extérieur de la vanne. Pour prolonger la durée de vie, utilisez des bouchons en acier inoxydable même si vous utilisez des conduites de transport en aluminium. Cela permet de minimiser l'usure abrasive de la surface due à l'impact des solides à grande vitesse. Le corps peut être en aluminium ou en acier inoxydable.

Les vannes doivent pouvoir dériver très rapidement. Un temps de détournement inférieur à cinq secondes est souhaitable.

Les déviateurs de type clapet ne conviennent pas pour une utilisation dans les lignes de transport pneumatique. Ils sont principalement utilisés pour contrôler le débit de solides provenant de bacs à basse pression (moins de 2 psig). Dans la plupart des cas, le débit de solides doit être arrêté par une vanne d'arrêt située au-dessus du déviateur avant de modifier la position du clapet car sa position ne peut pas être modifiée facilement si la conduite est pleine de solides.

• Le diamètre de la vanne doit correspondre à celui des goulottes d'alimentation de raccordement

• Utilisez un clapet en acier inoxydable pour minimiser l'usure. Le boîtier peut être en aluminium ou en acier inoxydable. Le clapet doit se fermer complètement dans l'une ou l'autre position

• La pression nominale de la vanne doit correspondre à celle des goulottes d'alimentation de raccordement

Les tuyaux flexibles ne sont pas utilisés dans les lignes de transport, sauf pour de courtes distances, comme dans le déchargement de conteneurs en vrac comme les wagons et les camions. Il y a plusieurs raisons à cela. Il est difficile de maintenir les tuyaux flexibles dans une configuration droite horizontale ou verticale et ils ont tendance à s'affaisser et à former des coudes. Leur perte de charge est supérieure à celle des canalisations. Ils s'usent aussi bien à l'intérieur qu'à l'extérieur.

Les flexibles peuvent être métalliques ou synthétiques. Les tuyaux synthétiques sont livrés avec des doublures métalliques internes enroulées en spirale pour améliorer la résistance et la durabilité. Lors du transport de solides générant de l'électricité statique, des flexibles conducteurs sont utilisés. Les tuyaux métalliques sont généralement en acier inoxydable tressé avec une doublure interne en acier inoxydable pour éviter les fuites d'air.

Les inconvénients des tuyaux flexibles sont les suivants :

• Pertes de charge plus élevées que les tuyaux métalliques en raison d'une plus grande perte d'énergie cinétique du solide

• Défaillances fréquentes des tuyaux causées par la flexion et la manipulation

• Difficulté de manipulation manuelle des tuyaux de grand diamètre (6 po et plus)

• Raccords de tuyaux manuels qui ne sont pas facilement inclus dans la logique de contrôle du système de processus

Les considérations à prendre en compte lors de la sélection du tuyau comprennent la pression nominale du tuyau, les méthodes de raccordement des brides et des raccords au tuyau, les considérations sur les conséquences de la défaillance, une mise à la terre statique appropriée et le rayon de courbure minimal du tuyau sélectionné.

Les directives pour les vannes à tiroir comprennent les éléments suivants :

• Utilisez des vannes bidirectionnelles à siège résilient afin qu'elles puissent se fermer complètement même avec une tête de solides

• N'utilisez pas de vannes avec des sièges métalliques ou des rebords internes car des solides peuvent s'accumuler sur ces rebords, compliquer la fermeture complète de la vanne et entraîner une contamination croisée du produit.

• Pour les applications nécessitant une protection contre la corrosion, utilisez une construction en acier inoxydable 316 coulé pour le corps et la porte

• Le style de corps doit être de type gaufrette

• La garniture de la vanne doit être un filament acrylique blanc à tresse carrée avec du polytétrafluoroéthylène (PTFE)

• Le matériau du siège doit être en Viton blanc

• Le joug doit être en acier inoxydable

• Fournir du gaz de purge dans la section du capot pour éviter l'accumulation de poussière à l'intérieur du capot

La conception et l'installation des vannes à guillotine doivent maintenir le schéma d'écoulement à partir du silo situé au-dessus. S'il s'agit d'un bac à débit massique, la vanne à tiroir doit maintenir le débit massique. Cela nécessite que le diamètre intérieur de la vanne soit le même que celui de la sortie du bac et que la vanne ne soit utilisée qu'en position complètement ouverte ou complètement fermée.

Des conceptions étanches aux gaz peuvent être nécessaires si le bac au-dessus contient des gaz tels que des hydrocarbures ou de l'azote.

Les vannes d'arrêt, les clapets anti-retour ou les vannes de régulation ne sont pas utilisés dans les conduites de transport pour arrêter ou réguler le débit du mélange de solides et d'air car ils interfèrent avec le fonctionnement du système de transport.

Injecteurs de ligne. Les injecteurs de ligne sont utilisés pour injecter des solides dans la ligne de transport. La figure 2 montre un injecteur de ligne pour alimenter les solides d'une vanne rotative dans une ligne de transport. Cette conception permet aux solides de s'écouler dans la ligne de transport au lieu de tomber verticalement et de former un tas.

Minimiser la chute de pression. Les directives pour minimiser la chute de pression comprennent les éléments suivants :

• Sélectionnez un tracé de pipeline qui est la distance la plus courte jusqu'à la destination, y compris les lignes horizontales et verticales

• Minimisez le nombre de coudes dans la conduite car les coudes sont une source majeure de chute de pression. La vitesse des solides diminue dans le coude en raison du frottement et de l'impact des parois, puis augmente dans la section droite suivante du pipeline, ce qui entraîne une chute de pression supplémentaire (la figure 3 montre l'effet d'un coude sur la chute de pression)

• N'utilisez pas de coudes standard car ils ont la chute de pression la plus élevée. Utilisez des coudes avec un rapport diamètre intérieur/rayon de courbure d'environ dix. Les tests montrent que la chute de pression dans ces coudes à long rayon est inférieure à celle des coudes à rayon plus petit

• Essayez d'utiliser des vannes de dérivation avec un angle de 30 degrés. angle de déviation au lieu de 45 degrés. Un 45 degrés. l'angle de déviation a deux fois la chute de pression

Maintenir la vitesse de transport. Sélectionnez une conception qui maintient la vitesse requise des solides tout au long de la ligne de transport pour éviter la saltation et le colmatage de la ligne. La vitesse des solides dans le pipeline ne doit pas tomber en dessous de la vitesse de saltation pour éviter le colmatage de la ligne. Cela se fait en utilisant les critères suivants :

• Du point de ramassage au premier virage, assurez-vous que la ligne de transport est horizontale et suffisamment longue pour accélérer les solides à une vitesse suffisamment élevée pour éviter la saltation dans le virage. La vitesse des solides diminue dans le coude en raison de l'impact et du frottement des parois. Cette réduction peut être de 5 à 50% selon le solide. Pour une réduction de 50 %, la vitesse des solides entrant dans le coude doit être supérieure d'au moins 50 % à la vitesse de saltation. En général, la longueur de cette ligne horizontale est d'au moins 20 pieds, mais utilisez une ligne plus longue si possible.

• Après le premier coude, localisez le deuxième coude pour fournir une ligne horizontale suffisamment longue qui permettra aux solides de réaccélérer à la même vitesse qu'à l'entrée du premier coude

• Ne pas installer les coudes dos à dos mais à une distance suffisante les uns des autres pour permettre aux solides de ré-accélérer

• Pour les longues conduites de transport, augmentez le diamètre du tuyau à un point approprié du tracé du pipeline pour éviter des vitesses très élevées. Sélectionnez ce point auquel la vitesse des solides ne tombe pas en dessous de la vitesse de transport minimale. La figure 4 montre un pipeline avec deux augmentations du diamètre du tuyau

• Le gaz de transport peut fuir des raccords de tuyaux, des vannes de dérivation, des vannes rotatives et d'autres raccords. Utiliser des équipements étanches aux gaz ou augmenter le débit d'air soufflé pour ces pertes

• Évitez d'utiliser des canalisations inclinées vers le haut en raison de la perte de vitesse des solides due au frottement des parois.

Minimiser la casse des solides. Une vitesse de transport élevée entraîne la rupture des particules solides fragiles. Pour les solides fragiles, cette rupture peut être proportionnelle à la vitesse à la troisième ou à la quatrième puissance. Si cette rupture est inacceptable, utilisez un système à phase dense à faible vitesse ou maintenez la vitesse aussi faible que possible.

Minimiser l'érosion du pipeline. Lors de la manipulation de solides abrasifs, il est important d'utiliser un matériau de construction spécial pour le pipeline afin d'empêcher l'érosion du pipeline. Les coudes du pipeline sont érodés plus rapidement que les tuyaux droits. Pour minimiser ce problème, utilisez des coudes spéciaux avec des surfaces résistantes à l'usure ou des coudes avec des dos extérieurs remplaçables. N'utilisez pas de matériaux souples tels que l'aluminium. Déterminez l'abrasivité des solides avant de sélectionner un matériau approprié pour le pipeline. Réduisez la vitesse de transport autant que possible, car l'usure augmente à la puissance 2,5 ou plus. Si la vitesse est doublée, l'usure augmente six fois. Voir la figure 5 pour une relation de cette usure entre différents matériaux.

Amrit Agarwa Je suis ingénieur-conseil chez Pneumatic Conveying Consultants (7 Carriage Road, Charleston, WV, 25314 ; téléphone : 304-553-1350, e-mail : [email protected]). Il a commencé son travail de consultant après avoir pris sa retraite de Dow Chemical Co. en 2002 en tant que spécialiste principal de la recherche. Il a plus de 47 ans d'expérience dans la conception et l'exploitation de solides en vrac et de transport pneumatique. Il est titulaire d'une maîtrise en génie mécanique de l'Université du Wisconsin-Madison et d'un MBA du West Virginia College of Graduate Studies à Charleston.