Invloed van statische elektriciteit op poederstroming

De impact van elektrostatische ladingen op de stromingseigenschappen van poeders is doorgaans onvoldoende bekend, maar kan leiden tot slechte stroming, segregatie of poederophoping, wat hinderlijk kan zijn voor een bedrijf, met name tijdens het vullen van poeders. Deze pagina biedt informatie over de oorzaken van elektrostatische fenomenen bij poederhantering, somt mogelijke problemen op en beschrijft oplossingen.

1. Statische elektriciteit en poederstroming

De wrijving tussen twee vaste stoffen veroorzaakt elektrische ladingen. Denk bijvoorbeeld aan het wrijven van een doek over een glazen staaf: de staaf raakt geladen.

Ditzelfde fenomeen, *tribo-elektrificatie* genoemd, treedt op wanneer bulkvaststoffen worden verplaatst: de deeltjes botsen tegen elkaar, tegen leidingen, een trechter, enz., en raken hierdoor geladen [3].

Wanneer voldoende geladen en in contact met oppervlakken met een tegengestelde lading, kunnen de deeltjes aan het oppervlak hechten. Opdat het fenomeen optreedt en significant is, moet het poeder voldoende isolerend zijn (hoge weerstand).

Experimenten tonen aan dat deeltjes in een mengsel niet allemaal op dezelfde manier geladen zijn: kleinere deeltjes hebben vaak een tegengestelde lading ten opzichte van grotere deeltjes. Bovendien blijken kleinere deeltjes vaker negatief geladen (hoewel niet uitsluitend; sommige krijgen ook een positieve lading door ladingsoverdracht met procesapparatuur) dan grotere deeltjes [3].

Welke bewerkingen genereren statische elektriciteit?

Zoals eerder vermeld, treedt tribo-elektrificatie op wanneer het poeder in beweging is.De wrijving van deeltjes met procesapparatuur veroorzaakt ladingen op het poeder. De intensiteit van het fenomeen is evenredig met het massadebiet, de snelheid van de deeltjes en omgekeerd evenredig met de deeltjesdiameter:

I = (Ka·M·V^{^b})/d [1]

Met:
I = tribo-elektrische stroom (A)
Ka = materiaalafhankelijke constante
M = massadebiet (kg/s)
V = snelheid (m/s)
d = deeltjesdiameter (m)
b = constante (1,4 tot 1,9)

Dit betekent dat statische elektriciteit bij voorkeur ontstaat bij fijn poeder, dat met hoge snelheid en hoog debiet wordt getransporteerd. Één procesbewerking past bijzonder goed bij deze definitie: pneumatische transport. Het pneumatische transport van poeder genereert immers veel wrijving en laadt daardoor zowel de deeltjes als de procesapparatuur op (vandaar de noodzaak om apparatuur te aarden). Ook vrije val over grote hoogtes kan een sterke statische elektriciteit veroorzaken.

2. Stromingsproblemen veroorzaakt door statische elektriciteit

Tribo-elektrificatie van bulkvaststoffen kan leiden tot verschillende problemen, met name:

• Slechte poederstroming uit trechters of poederophoping
• Segregatie van het bulkpoeder met scheiding van grote en fijnere deeltjes
• Verandering in de bulkdichtheid van het poeder

2.1 Slechte stromingseigenschappen

Door hun elektrostatische lading kunnen deeltjes hechten aan de oppervlakken van trechters of andere apparatuurdelen, indien deze voldoende isolerend zijn (ze behouden hun lading enige tijd, zelfs bij contact met geaarde apparatuur). Voor grote processen is dit meestal geen groot probleem, maar het kan wel gevolgen hebben voor precisiebewerkingen, zoals volumetrische vulling (poeder kan vastzitten in volumetrische bekers, waardoor het werkelijke vulvolume verandert, of hechten aan geaarde metalen onderdelen of geïsoleerde kunststofdelen).

2.2 Segregatie van poeder

Vergelijkbaar met het hierboven beschreven fenomeen, zal statische elektriciteit die deeltjes opladen vooral effect hebben op kleine deeltjes, waarbij de (minieme) elektrostatische krachten voldoende zijn om de deeltjes op het oppervlak van een trechter te houden. Kleine deeltjes worden dus bij voorkeur vastgehouden, terwijl grotere deeltjes relatief onbeïnvloed blijven. Hierdoor kan een segregatie-effect optreden, waarbij grotere deeltjes als eerste uit de trechter komen.

2.3 Bulkdichtheid verandering

De deeltjes krijgen tijdens tribo-elektrificatie dezelfde lading. Hierdoor stoten ze elkaar af, wat leidt tot een losser product met een lagere bulkdichtheid. Dit kan een probleem zijn, met name tijdens vulprocessen waar volumetrische vulling alleen nauwkeurig is als de bulkdichtheid goed gecontroleerd wordt.

3. Hoe stromingsproblemen door statische elektriciteit oplossen?

Zoals hierboven beschreven, kan het opladen van poeders tijdens hantering leiden tot verschillende problemen, waarvan de gevolgen de industriële processen kunnen beïnvloeden, met name bij vuloperaties. Het is daarom noodzakelijk, wanneer een probleem door elektrostatica is geïdentificeerd, manieren te vinden om dit te beheersen. De volgende strategieën kunnen worden toegepast:

• Geef het poeder tijd om te ontladen: het poeder laadt op tijdens beweging (wrijving); eenmaal opgeslagen in een trechter zal het geleidelijk ontladen. Het kan daarom interessant zijn een buffer te hebben met een verblijftijd die lang genoeg is om het poeder zijn lading kwijt te laten raken. Deze methode is mogelijk niet economisch haalbaar als de ontlaadtijd te lang is.
• Reguleer de luchtvochtigheid van de omgeving: geïsoleerde deeltjes behouden hun lading enige tijd, wat leidt tot hechting aan oppervlakken. Wanneer de luchtvochtigheid toeneemt (meestal RV > 65%) vormen zich vloeistofbruggen tussen deeltjes, waardoor ladingen kunnen afvloeien en het hierboven beschreven fenomeen wordt voorkomen. Deze werkwijze is echter alleen geldig voor materialen die niet gevoelig zijn voor vocht (bijv. niet geschikt voor voedingsmiddelen) en waarvan de stroomgevingseigenschappen niet te veel veranderen bij hogere vochtigheid (dit kan leiden tot klontering).
• Ioniseer de lucht [2]: een andere strategie uit bron [2] is het toevoegen van ionen om deeltjes te neutraliseren. Dit kan bijvoorbeeld door geïoniseerde lucht in de productstroom te blazen, net voor vulling. Het is onduidelijk of deze methode al industriële betekenis heeft gekregen.

4. Statische elektriciteit en poeders: Veiligheidsaspecten

Het is cruciaal om te begrijpen dat, wanneer poeder tijdens transport wordt opgeladen en in contact komt met apparatuurdelen, ook die onderdelen worden opgeladen. Als de apparatuur geïsoleerd is, bestaat het risico op ontlading van statische elektriciteit na verloop van tijd, wat kan leiden tot een stofexplosie. Het is daarom verplicht ervoor te zorgen dat alle onderdelen van de procesapparatuur zijn geaard. Meer informatie over deze essentiële veiligheidseis vindt u in onze Veiligheidshandleiding: Risico's van elektrostatische lading in bulkpoeders

Daarnaast, als deeltjes zwaar zijn opgeladen tijdens een bewerking, zoals pneumatisch transport, en worden opgeslagen in een trechter, kan het potentiaalverschil tussen de poedermassa en de trechterwand zo groot zijn dat de deeltjes beginnen te ontladen, wat vonken kan veroorzaken die een explosie kunnen triggeren. Dit fenomeen, *kegelontlading* genoemd, wordt uitgelegd op de volgende pagina: Kegelontlading

Bron

[1] Tribo-elektriciteit: een parameter voor het meten van de stroming van bulkvastestoffen, Dechene en Averdieck, PBE, 1987

[2] Begrip en beheersing van statische elektriciteitsproblemen bij zakken en verpakken, Poidras en Piret, PBE, 1991

[3] Meting van elektrostatische oplading van poedermengsels in een vrije-val-testopstelling, Zhang et al, 2015, Procedia Engineering