Influencia de la electricidad estática en el flujo de polvos

El impacto de las cargas electrostáticas en la fluidez de los polvos no suele ser bien conocido, pero puede causar mala fluidez, segregación, acumulación de polvo que puede ser problemática para una empresa, especialmente durante el llenado de polvos. Esta página proporciona información sobre las causas fundamentales de los fenómenos electrostáticos en el manejo de polvos, enumera algunos problemas que pueden ocurrir y cómo resolverlos.

1. Electricidad estática y flujo de polvos

La fricción entre dos sólidos libera cargas eléctricas; piense, por ejemplo, en lo que ocurre cuando alguien frota un paño sobre una barra de vidrio: la barra se carga.

Es el mismo fenómeno, llamado **electrización por fricción (triboelectricidad)**, el que ocurre cuando los sólidos a granel se mueven: las partículas chocan entre sí, contra tuberías, tolvas, etc., y se cargan [3].

Cuando están suficientemente cargadas y entran en contacto con superficies con carga opuesta, las partículas pueden adherirse a la superficie. Para que el fenómeno ocurra y sea significativo, el polvo debe ser lo suficientemente aislante (alta resistividad).

Las observaciones experimentales muestran que las partículas en una mezcla no están todas cargadas de la misma manera: las partículas más pequeñas tienden a cargarse de forma opuesta a las más grandes. Parece que estas partículas pequeñas también están más cargadas negativamente (aunque no exclusivamente; algunas también adquieren carga positiva por transferencia con los equipos del proceso) que las más grandes [3].

¿Qué operaciones unitarias generan electricidad estática?

Como se mencionó anteriormente, la triboelectricidad ocurre cuando el polvo está en movimiento.La fricción de las partículas con los equipos del proceso genera cargas en el polvo. La intensidad del fenómeno es proporcional a la velocidad másica, la velocidad de las partículas e inversamente proporcional al diámetro de las partículas:

I = (Ka·M·V^ᵇ)/d [1]

Donde:
I = corriente triboeléctrica (A)
Ka = constante dependiente del material
M = velocidad másica (kg/s)
V = velocidad (m/s)
d = diámetro de las partículas (m)
b = constante (1.4 a 1.9)

Esto significa que la electricidad estática se generará preferentemente en partículas finas, transportadas a alta velocidad y con alto caudal másico. Una operación de proceso que encaja especialmente en esta definición es: el transporte neumático. El transporte neumático de polvos genera, en efecto, mucha fricción y, por lo tanto, carga las partículas y los equipos del proceso (de ahí la necesidad de conectar a tierra los equipos). La caída por gravedad desde grandes alturas también puede ser otra operación que genere una cantidad significativa de electricidad estática.

2. Problemas de flujo causados por electricidad estática

La triboelectricidad de los sólidos a granel puede generar diferentes problemas, especialmente:

• Mala fluidez del polvo en tolvas o acumulación del mismo
• Segregación del polvo a granel con separación de partículas grandes y finas
• Cambio en la densidad aparente del polvo

2.1 Mala fluidez

Debido a su carga electrostática, las partículas pueden adherirse a las superficies de las tolvas u otras partes del equipo si son lo suficientemente aislantes (mantendrán su carga durante un tiempo incluso en contacto con equipos conectados a tierra). En procesos a gran escala, esto normalmente no es una gran preocupación, pero puede ser relevante en operaciones que requieren mayor precisión, como el llenado volumétrico (parte del polvo puede quedar adherido dentro de las copas volumétricas, alterando el volumen real llenado, o adherirse a piezas metálicas conectadas a tierra o a componentes plásticos aislados).

2.2 Segregación de polvos

De manera similar al fenómeno descrito anteriormente, la carga electrostática en las partículas tendrá un efecto primario en las partículas pequeñas, para las cuales las (pequeñas) fuerzas electrostáticas serán suficientes para mantenerlas adheridas a la superficie de una tolva, por ejemplo. Las partículas pequeñas, por lo tanto, se retendrán preferentemente, mientras que las grandes no se verán afectadas significativamente. Así, puede observarse un efecto de segregación en el que las partículas grandes saldrán primero de la tolva.

2.3 Cambio en la densidad aparente

Las partículas, durante el proceso de triboelectricidad, adquieren la misma carga. Como consecuencia, se repelen entre sí, lo que conduce a un producto más suelto con menor densidad aparente. Esto puede ser un problema, especialmente durante el proceso de ensacado o llenado, donde la precisión del llenado volumétrico depende de que la densidad aparente esté bien controlada.

5. Ahorro de energía

3. ¿Cómo resolver problemas de fluidez debidos a la electricidad estática?

• Como se ha visto anteriormente, la carga de polvos durante su manipulación puede generar diferentes problemas cuyas consecuencias pueden afectar al proceso industrial, especialmente en operaciones de llenado. Por lo tanto, es necesario, cuando se identifica un problema debido a la electricidad estática, encontrar formas de controlarlo. Las siguientes estrategias pueden aplicarse: Permitir tiempo para la descarga del polvo: el polvo se carga durante el movimiento (que implica fricción); una vez almacenado en una tolva, se descargará lentamente. Puede ser interesante contar con un buffer cuyo tiempo de residencia sea lo suficientemente largo para permitir que el polvo libere sus cargas. Sin embargo, este método puede no ser viable económicamente si el tiempo de descarga es demasiado prolongado.
• Controlar la humedad del ambiente: las partículas aislantes mantendrán su carga durante un tiempo, lo que lleva a la adherencia a superficies. Sin embargo, si la humedad aumenta (típicamente HR > 65%), se forman puentes líquidos entre las partículas, lo que permite disipar las cargas y evitar el fenómeno descrito. Este método solo es válido para materiales no sensibles a la humedad (no apto para alimentos, por ejemplo) y cuyas propiedades de flujo no cambien demasiado a mayor humedad (esto puede provocar apelmazamiento).
• Ionizar el aire [2]: otra estrategia sugerida por la fuente [2] es proporcionar iones para neutralizar las partículas. Esto puede lograrse soplando aire ionizado en la corriente del producto, por ejemplo, justo antes del llenado. No está claro si este método ha alcanzado relevancia industrial.

4. Electricidad estática y polvos: aspectos de seguridad

Es crítico entender que, si el polvo se carga durante el transporte y entra en contacto con equipos, dichos equipos también se cargan. Si el equipo está aislado, existe riesgo de descarga de electricidad estática tras un tiempo, lo que puede provocar unaexplosión de polvo. Por lo tanto, es obligatorio asegurar que todas las partes del equipo de proceso estén conectadas a tierra. Puede encontrar más información sobre este requisito de seguridad fundamental en nuestro Manual de Seguridad: Riesgos electrostáticos en polvos a granel

Asimismo, si las partículas se han cargado intensamente durante una operación (por ejemplo, transporte neumático) y se almacenan en una tolva, la diferencia de potencial entre la masa de partículas y la pared de la tolva puede ser tal que las partículas comiencen a descargarse, generando chispas que podrían desencadenar una explosión. Este fenómeno, llamado **descarga en cono**, se explica en la siguiente página: Descarga en cono

Fuente

[1] Electricidad triboeléctrica: un parámetro para la medición del flujo de sólidos, Dechene y Averdieck, PBE, 1987

[2] Comprensión y gestión de problemas de electricidad estática en ensacado y envasado, Poidras y Piret, PBE, 1991

[3] Medición de la carga electrostática de mezclas de polvos en un dispositivo de prueba de caída libre, Zhang et al, 2015, *Procedia Engineering*