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Peligros electrostáticos de polvo en bulk (explosiones de polvo)

Riesgos electrostáticos a considerar en el análisis de peligros de polvo (DHA, ATEX, DSEAR)

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Resumen de sección
1. Introducción
2. Descargas de chispa
3. Descargas de cepillo, descargas de corona y descargas de cepillo en propagación
4. Descarga de cono
5. Rayo

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1. Introducción

Las descargas electrostáticas son responsables de una gran parte de explosiones de nubes de polvo observadas en la industria. Dependiendo de la fuente, país, la descarga de electricidad estática representa de hecho del 10% al 25% en algunas áreas de la industria (plásticos, por ejemplo) [Glor] [Van Laar].

Entender los peligros relacionados con la electricidad estática para las industrias de manejo de sólidos en bulk es, por lo tanto, crítico para garantizar la seguridad del proceso y las personas.

Esta página revisa los diferentes mecanismos que llevan a descargas electrostáticas potencialmente peligrosas que deben ser consideradas en el análisis de riesgos (DHA, ATEX, DSEAR).

La siguiente tabla resume esos diferentes fenómenos y las energías involucradas :

Tabla 1 : Descargas electrostáticas involucradas en la explosión de polvo [Van Laar] [Glor]

2. Descargas de chispas

Las chispas, obtenidas entre 2 materiales conductores a diferentes potenciales, es uno de los riesgos electrostáticos más comunes y peligrosos para las industrias que procesan polvos.

En el entorno industrial, si una pieza de equipo aislada, por ejemplo, un tubo de metal, se carga, entonces hay un riesgo de chispas eléctricas si se acerca a otra pieza de metal, o simplemente un operador, que está cargado de manera diferente, la diferencia de potencial desencadena una corriente que crea una chispa.

Por esta razón, para las fábricas que manejan sólidos a granel, es OBLIGATORIO que TODAS las partes del proceso estén conectadas a tierra. Se garantiza gracias a un cable de conexión que conecta las piezas entre sí, con el sistema completo finalmente conectado a tierra. Un operador del proceso debe medir la resistividad entre cada parte del proceso y confirmar que es baja, típicamente menos de 10 ohms.

[Glor] da diferentes ejemplos de situaciones que pueden llevar a chispas electrostáticas :

• Parte de metal / tubería aislada por un flexible
• Parte de metal aislada por juntas
• Parte de una válvula aislada por la junta
• Tambor de metal sobre un carro con ruedas no conductoras
• Instrumento sostenido por un operador que usa guantes no conductores
• Personas aisladas debido a los zapatos de un suelo / plataforma no conductora

La energía que se puede esperar de una chispa que proviene de un conductor aislado se puede calcular gracias a :

W = 0,5 * C * U2

Ecuación 1 : estimación de la energía de una chispa de un elemento conductor aislado

Con :

W = energía de la chispa en mJ
C = capacitancia del elemento conductor aislado en pF
U = diferencia de potencial en kV

[Laurent] da una tabla que permite tener una idea de los órdenes de magnitud involucrados.

Tabla 2 : Energía que se puede almacenar en algunos conductores aislados [Laurent]

Con los valores para vagones de ferrocarril y camiones de silo, el lector puede darse cuenta de lo importante que es poner a tierra esos equipos durante el llenado y la descarga!

3. Descargas en cepillo, descargas en cepillo propagantes y descargas de corona

3.1 Descargas en cepillo

(Descarga en aigrette)

Las descargas en cepillo ocurren cuando un material aislado se carga, por ejemplo un tubo de caída flexible. El movimiento del polvo carga el material pero como no es conductor, no pueden ser liberados y siguen acumulándose. Si ahora se acerca un material conductor a tierra a la parte cargada, puede ocurrir una descarga en cepillo ya que el material conductor juega el papel de un electrodo.

La energía involucrada es, según los datos encontrados en la literatura [Glor] muy limitada, en el rango de 1-3,6 mJ y en circunstancias normales no es capaz de iniciar una explosión de polvo si la nube está en suspensión en el aire solo. Sin embargo, esta energía es suficiente para iniciar una nube de polvo si un gas inflamable está presente, lo que modifica mucho la MIE de la mezcla. Las descargas en cepillo deben ser verificadas sistemáticamente en el análisis de riesgos de explosión de polvo.

Algunos ejemplos de actividades que pueden llevar a descargas en cepillo se presentan a continuación:

• Acercar una bolsa de plástico recién descargada a una parte metálica
• Acercar un dedo a una parte aislada cargada, como un tubo de caída de plástico, flexible...
• Muestrear polvo que acaba de ser cargado en un silo con una herramienta conductora y a tierra
• Tener accesorios internos en una nube de polvo cargada, que pueden jugar el papel de electrodos

3.2 Descarga en cepillo propagante

(Descarga en aigrette propageante)

Las descargas en cepillo propagantes ocurren cuando los dos lados de una capa de material no conductor están cargados con polaridad opuesta. Cuando ocurre un cortocircuito entre las dos capas altamente cargadas, puede ser desencadenada una descarga en cepillo propagante, lo que lleva a una liberación de energía muy alta.

Algunos ejemplos de materiales que pueden ser cargados de manera diferente en ambos lados de una lámina no conductora se presentan a continuación:

• Tubería aislada en líneas de transporte neumático
• Tubería conductora con un revestimiento interno aislante, típicamente en líneas de transporte neumático
• Vidrio de visión en líneas de transferencia neumática
• Movimiento de alta velocidad / impacto de polvo, por ejemplo en un tubo de caída, sobre una superficie aislada (tubería aislada o tubería con revestimiento)
• Llenado de Big Bags o recipientes con capas aislantes

Para evitar descargas en cepillo propagantes, solo se deben utilizar materiales conductores y a tierra, o, cuando se deba utilizar un material no conductor (conexión flexible, Big Bag), el voltaje de ruptura contra la capa de material debe ser menor que 4 kV, lo que evita que ocurran descargas en cepillo propagantes [Glor].

Estas descargas también pueden llevar el nombre de descargas de Lichtenberg [Laurent]

3.3 Descargas de corona

Las descargas de corona tienen algunas similitudes con las descargas en cepillo pero generan niveles de energía mucho más bajos, típicamente 0,2 mJ. Normalmente no son peligrosas para nubes de polvo puras, pero de nuevo cualquier operador que realice un análisis de riesgos debe verificar que no haya circunstancias en el proceso, como la presencia de gases altamente inflamables mezclados con los sólidos a granel, que puedan cambiar significativamente la MIE y en realidad hacer que las descargas de corona sean peligrosas.

4. Descarga en cono

(Descargas de Maurer)

Las descargas en cono constituyen un riesgo muy importante en el manejo de sólidos a granel, aunque a menudo se pasa por alto o no se entiende bien. Este tipo de descarga se inicia cuando un sólido a granel poco conductor se almacena en un silo después de una operación que puede cargarlo, como el transporte neumático o la chute de gravedad a larga distancia.

Como el material tiene una alta resistividad, puede acumular cargas durante el llenado hasta el punto de que la diferencia de potencial con el recipiente es lo suficientemente alta como para desencadenar una descarga en cono. El riesgo es aún más importante cuanto mayor sea el diámetro del silo / recipiente flexible y cuanto mayor sea el diámetro de las partículas del sólido a granel.

[Glor] proporciona una correlación para estimar la energía liberada durante una descarga cónica :

W_Ae = 5,22 * D^3,36 * d^1,462

Ecuación 2 : estimación de la energía de descarga cónica

Esta correlación es válida para : 0,5 m < D < 3 m y 0,1 mm < d < 3 mm

Con :

W_Ae = energía equivalente de la descarga cónica en mJ
D = diámetro del silo conductivo y conectado a tierra en m
d = diámetro mediano de partícula en mm

Según los informes de la literatura, las descargas cónicas son probablemente para polvos que tienen una resistividad > 10¹⁰ Ω.m. Tenga en cuenta que el riesgo es bastante significativo con granulos de polímeros que tienen una muy mala conductividad.

Es muy importante calcular la energía esperada de una descarga cónica para recipientes llenados después de una operación que pueda generar altas cargas de polvo (típicamente transporte de alta velocidad como transporte neumático) y si se encuentra que es mayor que el MIE, revisar el diseño considerando medidas de protección contra explosiones.

5. Rayos

Al tener un polvo altamente cargado en suspensión en el aire, podría ser en principio posible que ocurran rayos, como sucede en la naturaleza. Sin embargo, las pruebas han demostrado que este riesgo no es probable para silos de menos de 60 m³ y menos de 3 m de diámetro. Para silos más grandes, el riesgo debe mencionarse al menos en el análisis de riesgos, aunque hasta ahora parece que este riesgo tampoco es probable para capacidades de recipientes más grandes [Glor]

Tenga en cuenta que los rayos del entorno externo durante una tormenta son un riesgo que debe tenerse en cuenta, especialmente para silos externos.

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Fuentes
# [Glor] Peligro de ignición debido a la electricidad estática en procesos de partículas, Martin Glor, Powder Technology, 135-136 2003
[Van Laar] Ir. Van Laar. La electricidad estática como un peligro en la industria. Journal de Physique III, EDP Sciences, 1991,1 (8), pp.1377-1387.
# [Laurent] Seguridad de los procesos químicos, Andre Laurent, Tec y Doc, 2003, página 332