Electricidad esttica en polvos combustibles (I): caractersticas de las descargas elctrostticas

Notas Tcnicas de Prevencin

Redactor:Emilio Turmo SierraIngeniero Industrial

Centro naCIonal deCondICIones de trabajo

esta notas tcnicas de Prevencin y la siguiente son las primeras de una serie que tratan sobre los riesgos de la electricidad esttica en la industria y tienen por objetivo exponer la generacin y acumulacin de cargas electros-tticas que dan lugar a una de las fuentes de ignicin que pueden ser causa de incendio y explosin en las plantas de proceso con polvos combustibles. se describen los tipos de descargas electrostticas que pueden apare-cer y las medidas de seguridad que se pueden adoptar. la bibliografa se incluye en la ntP siguiente. se reco-mienda consultar la ntP 567: Proteccin frente a cargas electrostticas.

electricit estatique en poudres combustibles (I). Caractristiques des dcharges lectrostatiquesstatic electricity in combustible dusts(I). Characteristics of the electrostatic discharges

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INTRODUCCIN1.

El fenmeno de la electricidad esttica puede ser fuente de ignicin cuando se manifiesta en presencia de atmsferas explosivas de gases, vapores y nieblas inflamables o de polvos combustibles, pudiendo dar lugar a incendios y ex-plosiones. Estos accidentes pueden ocurrir en la industria farmacutica, agropecuaria, alimentaria, automovilstica y, en general, en todas las operaciones que manipulen materia combustible finamente dividida (desde polvo fino hasta grnulos, fibras o virutas de tamao inferior a 0,5 mm). Las partculas pueden ser de productos variados tanto orgnicos como inorgnicos. Ejemplos diversos son la leche en polvo, el toner de las impresoras lser, el polvo de aluminio y magnesio de la mecanizacin de piezas, el pienso, el serrn, el polvo de trituracin de plsticos, etc.

GENERACIN Y ACUMULACIN DE CARGAS 2. ELECTROSTTICAS. DISIPACIN Y TIEMPO DE RELAJACIN

La carga electrosttica generada por contacto y roce de partculas con superficies de diferentes materiales es un fenmeno frecuente en los procesos con polvos. Ocurre si la resistividad volumtrica (resistividad o resistencia es-pecfica) del polvo es superior a unos 108 m, valor que es sobrepasado por la mayora de sustancias orgnicas. Las operaciones de manipulacin y transporte implican procesos de separacin entre las propias partculas y entre stas y las superficies de los equipos y conducciones de la instalacin. En la Tabla 1 se presentan valores, para dife-rentes operaciones, de densidad de carga por unidad de masa en C/kg, adquirida por polvos de resistividad media (106 a 1010 m), rango donde se encuentran la mayora de polvos orgnicos naturales. Este parmetro es importante al considerar el nivel de acumulacin de carga en polvos.

La carga generada en un elemento no conductor que-da retenida debido a su propia resistencia. La carga de las partculas, especialmente si estn depositadas en un recipiente de recogida, se va disipando o descargando (proceso de relajacin) a una determinada tasa, el valor de la cual depende de la resistencia de las partculas com-ponentes del sistema.

El tiempo que tarda la carga en decaer a un valor igual a su valor original dividido por el nmero e (2,718) recibe el nombre de tiempo de relajacin ():

= v 0

= permitividad relativa del polvo (adimensional)0 = permitividad del vaco (8,851012 F/m) v = resistividad volumtrica del polvo (m).

OperacinDensidad de carga

msica o carga especfica (C/kg)

Tamizado 109 a 1011

Llenado 107 a 109

Transporte de alimenta-cin por tornillo helicoidal

106 a 108

Trituracin, molienda 106 a 107

Micronizado 104 a 107

Transporte neumtico 10-3 a 10-7

Recubrimiento triboelc-trico de polvo

102 a 103

tabla 1. densidad de carga msica en operaciones con polvos

Vigencia Actualizada Observaciones

VLIDA

2Notas Tcnicas de Prevencin

Ejemplo: Un polvo con resistividad volumtrica v de 1010 m y una permitividad relativa de 2 necesitara un tiempo de relajacin:

= 1010 m28,851012 F/m = 0,177 F 0,2 s (1).

Esto significa que despus de transcurridos unos 0,2 s, aproximadamente dos tercios (11/2,718) de la carga se habrn descargado desde el polvo a granel hacia tierra.

Se debe observar que, siendo el aire muy mal conductor (resistividad del aire: 21013 a 41013 m), el decaimiento de la carga acumulada en un polvo en suspensin en el aire (nube de polvo) no est influenciado por la resistividad volumtrica del polvo.

Los niveles de carga a que se puede llegar, tanto en el polvo a granel depositado o en suspensin en aire, estn limitados por el desencadenamiento de la descarga elec-

1. la conversin de unidades demuestra que F = V/aC/V = C/a = C/(C/s) = s.

trosttica. Esto ocurrir cuando el campo elctrico alcance la intensidad de disrupcin dielctrica del aire 3 MV/m (rigidez dielctrica o voltaje de ruptura), sea en el borde del montn de polvo depositado en un recipiente o en la nube de polvo.

TIPOS DE DESCARGAS ELECTROSTTICAS3.

En general todas las partculas, incluyendo grnulos, vi-rutas y fibras, se cargan fcilmente durante el transporte a travs de tuberas y conductos. Esto ocurre en mayor grado cuando las partculas permanecen bien separadas unas de otras, como en el transporte neumtico.

Los polvos se pueden inflamar ms fcilmente por des-cargas electrostticas cuando estn en suspensin en el aire, en forma de partculas finas o en estado de baja turbulencia que cuando estn depositados en forma de capa. Estas descargas pueden adoptar diferentes formas con poder de ignicin tambin distinto (Tabla 2).

TIPO DE DESCARGA

CARACTERSTICAS

DESCaRgaEn ChiSpa

puede ocurrir debido a las cargas adquiridas por componentes conductores de equipos, por personas o por acumulacin de carga en polvos de baja resistividad (resistividad volumtrica 106 m).

En la mayora de los casos, toda la energa almacenada se disipa en la chispa. puede ocurrir entre dos conductores situados a corta distancia y se manifiesta como una descarga luminosa y con ruido de chispazo.

En general la energa liberada por una descarga en chispa es demasiado baja para la ignicin de polvo en forma de capa o a granel en un montn, pero es suficiente para la ignicin de una nube de polvo. no se han detectado descargas en chispa procedentes de una nube de polvo.

DESCaRgaEn COROna

puede ocurrir en elementos puntiagudos o extremos de conductores, es decir superficies de radio de curvatura pequeo (< 0,5 mm).

Se observa cuando esos conductores estn conectados a tierra y se aproximan a un objeto con carga electrosttica elevada, o cuando el conductor puntiagudo est a un potencial elevado. En estos casos la descarga se produce debido al campo elctrico muy intenso que existe en la superficie puntiaguda, superior a 3 MV/m.

La intensidad del campo disminuye rpidamente y la regin ionizada de la descarga desaparece a poca distancia.

Se puede observar una pequea luminosidad entre la punta y el objeto cargado o desde la punta a elevado potencial en direccin hacia fuera.

La energa de esta descarga es muy baja, por lo que su poder de ignicin es demasiado bajo para la ignicin de polvos combustibles. Slo en los casos en que haya un incremento del potencial en el con-ductor puntiagudo, la corona se puede transformar en chispa entre la punta y otro objeto.

DESCaRgaEn bROCha

puede ocurrir cuando conductores redondeados (radio de curvatura > 5 mm) y puestos a tierra se aproximan hacia objetos no conductores cargados. p.e. el acercamiento de una herramienta o la punta de un dedo, a una superficie aislante altamente cargada, el sacudimiento de bolsas de plstico al final de un vaciado de polvo en la boca de un reactor, el descenso de una sonda de medida del nivel de llenado de un silo.

a diferencia de las descargas en chispa, en la de brocha slo se descarga una fraccin de la carga acumulada, la correspondiente a la zona ms cercana al elemento conductor que se aproxima. Este tipo de descargas liberan energas equivalentes a 4 mJ.

El conocimiento actual permite decir que los polvos combustibles con Energa Mnima de ignicin EMi superior a 4 mJ no entrarn en ignicin con descargas en brocha excepto si estn en mezcla con gases y vapores inflamables.

La presencia de un gas inflamable junto a polvo combustible rebaja la EMi correspondiente al polvo, aun cuando la concentracin del gas sea inferior al Lmite inferior de Explosividad.

En estos casos, si la concentracin de gas es importante sera necesario asumir que la EMi es la del gas. Se recuerda que la EMi de la mayora de gases y vapores de disolventes est entre 0,2 y 1 mJ. La EMi del hidrgeno, acetileno y disulfuro de carbono es inferior a 0,02 mJ.

La experiencia prctica y la ausencia de incidencias, indican que las descargas en brocha son de poder de ignicin bajo respecto a las nubes de polvo.

(contina en la pgina siguiente)tabla 2. tipos de descarga electrosttica y sus caractersticas

3Notas Tcnicas de Prevencin

En la Tabla 3 se presentan valores tpicos de capacida-des de elementos conductores usuales.

Un ejemplo de este clculo se puede aplicar a un bidn metlico, situado sobre una superficie aislante, que se est llenando con polvo desde una trituradora, molino, tolva, etc. En bibliografa especializada se indica un valor aproximado de la corriente de carga procedente del polvo de 107 a. La resistencia R de fuga del bidn a tierra a causa de la superficie aislante la suponemos de 1011 ; y la capacidad C del bidn de unos 50 pF. El voltaje mximo que puede alcanzar el bidn es:

Umx = iR = 107 a1011 = 10.000 V

TIPO DE DESCARGA

CARACTERSTICAS

DESCaRgaEn haz O bROCha pROpaganTE

para este tipo de descarga es necesaria la existencia de una lmina de un material de resistividad y rigidez dielctrica elevada con mucha carga electrosttica en la superficie de ambas caras (densidad de carga superficial elevada) y de polaridad opuesta.

La lmina cargada bipolar puede estar en un espacio libre o ms corrientemente tener una de las dos superficies en contacto con un material conductor (normalmente puesto a tierra).

La descarga se puede iniciar por un contacto elctrico (cortocircuito) entre las dos superficies cargadas, por perforacin de la lmina o exteriormente entre sus dos superficies. presenta una imagen de descarga ramificada acompaada de un fuerte chasquido.

La energa liberada en estas descargas puede ser de 1 J o ms. Estas descargas pueden provocar la ignicin de atmsferas explosivas de polvos que circulen por el interior de conductos (particularmente materiales polimricos de elevada resistividad) y con mayor motivo de atmsferas explosivas de gases y vapores.

Este tipo de descarga se puede presentar en operaciones en que se genera mucha carga, tales como en el transporte neumtico de polvos de elevada resistividad a travs de conducciones de material no conductor o conducciones metlicas con recubrimiento no conductor en su interior y en la pulverizacin electrosttica de pintura en polvo.

En estos casos se generan niveles muy elevados de densidad de carga superficial sobre una lmina o capa no conductora especialmente si lleva exteriormente sobrepuesta una lmina metlica conectada a tierra.

Si la rigidez dielctrica de la lmina o capa no conductora es suficiente para resistir la elevada intensidad de campo dentro de la misma, una densidad de carga superficial de valor 2,5104 C/m2 puede transfor-mar la descarga en brocha a brocha propagante. Este caso se podra dar en un conducto o tramo de conducto aislante recubierto con una cinta o alambre helicoidal en la superficie externa dispuesto para servir como conexin equipotencial entre tramos de conducto metlico.

En casos especiales tambin puede generarse y acumularse carga electrosttica de distinto signo en ambas caras de la lmina no conductora sin necesidad de la lmina metlica sobrepuesta.

DESCaRgaEn RayO

Es un tipo de descarga que puede ocurrir dentro de nubes de polvo o desde nubes de polvo hacia tierra cuando la intensidad de campo debida a las cargas electrostticas es muy elevada. no han sido obser-vadas en nubes de polvo del tamao que se encuentran en los procesos industriales.

Segn investigaciones experimentales es improbable que ocurran en silos de volumen inferior a 60 m 3 o en silos de dimetro inferior a 3 m y de cualquier altura. Tales descargas son improbables en silos o recipientes de capacidades mayores, suponiendo que las intensidades de campo sean inferiores a 500 kV/m.

Las pruebas realizadas hasta ahora indican que excepto en atmsferas muy sensibles (de baja EMi) a la explosin, el riesgo de ignicin debido a descargas desde la nube de polvo es muy bajo.

para polvos con EMi inferior a 3 mJ podra ser necesaria una evaluacin del riesgo.

DESCaRgaEn COnO

En la operacin de descarga de polvo no conductor en el llenado de silos se puede acumular una den- sidad de carga electrosttica muy importante en el montn depositado. Esto origina un campo elctrico elevado en la cima del montn.

Se han observado grandes descargas desplazndose sobre la superficie de ese montn hacia las paredes del contenedor, en forma radial si son contenedores cilndricos.

Este tipo de descarga puede causar la ignicin de atmsferas explosivas de polvos sensibles a la igni- cin (de baja EMi) mientras estn en suspensin en el aire con la necesaria concentracin dentro del rango de explosividad.

La energa liberada en tales descargas depende del dimetro del silo y de la mediana del tamao de partculas que forman el montn.

tabla 2. tipos de descarga electrosttica y sus caractersticas

En las descargas en forma de chispa, la energa des-prendida por la chispa entre un cuerpo conductor y otro conductor unido a tierra se calcula con la ecuacin:

W = QU = CU2

W = energa desprendida en julios (J)Q = cantidad de carga electrosttica en el conductor que

se descarga, en culombios (C)U = potencial al que est el conductor que se descarga,

en voltios (V)C = capacidad elctrica del cuerpo conductor que se

descarga, en faradios (F)

4Notas Tcnicas de Prevencin

y la energa mxima liberada en una descarga en chispa sera:

Wmx = CU2 = 501012 F10.0002 V2 =

= 2,5103 J = 2,5 mJ

El poder de ignicin de las descargas en chispa se puede estimar comparando la energa desprendida, con la ener-ga Mnima de Ignicin (EMi) del polvo procesado. Los valores de la EMi que se encuentran en la bibliografa corresponden a la mezcla que ms fcilmente da lugar a la ignicin (concentracin ptima). para los polvos com-bustibles vara desde valores inferiores a 1 mJ hasta otros por encima de 10 J.

a ttulo de referencia se presenta, en la Tabla 4, valores de EMi de algunos polvos.

Las condiciones necesarias para que ocurra una des-carga en forma de brocha propagante son:

Densidad de carga superficial mayor que 2,5x10 4 C/m2.Espesor de la lmina aislante menor que 8 mm. Voltaje mnimo de perforacin de 4 kV entre las dos caras de la lmina aislante.

La energa liberada en este tipo de descarga se puede estimar suponiendo que la lmina cargada (con polaridad de signos contrarios en sus dos caras), se comporta como un condensador plano paralelo con la lmina como dielc-trico. por ejemplo, en una lmina de permitividad relativa = 2, densidad de carga superficial = 103 C/m2, espesor d = 75 m, y rea a = 0,5 m2, la energa almacenada W estara calculada por:

W = CU2 = ad2/(20) = 0,5 m275106 m (103 C/m2)2/(228,8541012 as/V m) = 1,06 CV1 J

Si este valor se compara con la EMi de polvos se puede ver el poder de ignicin de la descarga considerada.

Respecto las descargas en forma de cono, como refe-rencia para silos con dimetros comprendidos entre 0,5 y 3 m y con polvo de tamaos entre 0,1 y 3 mm, la energa

liberada en este tipo de descargas, se puede estimar me-diante la frmula numrica:W = 5,22 D3,36 d1,46

W = lmite superior de la energa de la descarga en cono (mJ)

D = dimetro del silo conductor conectado a tierra (m)d = mediana de la distribucin del tamao de las part-

culas del polvo (mm)Segn se deduce de la frmula anterior, las descargas en cono procedentes de polvo ms grueso son de mucha mayor energa que las de polvo fino. por tanto la situacin ms peligrosa se tiene cuando se manipulan grnulos (mayor generacin de carga) junto a polvo fino (mayor facilidad de ignicin) formando una nube con polvo de baja energa mnima de ignicin. no hay riesgo de ignicin si las partculas son slo grnulos de tamao mayor de 500 m (0,5 mm).

Segn bibliografa especializada, este fenmeno slo se ha observado en operaciones de llenado y vaciado con materias granulares polimricas en silos y grandes contenedores. Las descargas desde el polvo depositado slo se pueden esperar con polvo grueso de dimetros entre 1 y 10 mm.

En llenados de silos con grnulos de polister se ha observado un descenso sbito del campo elctrico al tiem-po de una seal de radiofrecuencia indicadora de que ha ocurrido una descarga. Existen aparatos que detectan las descargas electrostticas.

El especialista Maurer indica que se necesitan mayores caudales de llenado (de hasta 28.000 kg/h) para generar descargas en partculas polimricas de 800 m de di-metro (0,8 mm) que con partculas de mayor tamao de unos 3 mm de dimetro. La resistividad del polvo tambin juega un papel esencial. Thorpe ha demostrado que el fenmeno no se ha observado cuando la resistividad del material a granel es inferior a 1010 m.

tabla 3. Capacidad elctrica de diferentes elementos conduc-tores en picofaradios

ObJETOCapacidadpF (1012 F)

Tornillo 1

brida (dimetro nominal 100 mm) 10

artculos metlicos pequeos (pala, boquilla de manguera)

10 a 20

Contenedores pequeos (cubos, bidn de 50 L)

10 a 100

Contenedores medios (250 a 500 L) 50 a 300

Equipos de planta (reactores, grandes con-tenedores) rodeados de estructura puesta a tierra

100 a 1000

Cuerpo humano 100 a 300

Camin cisterna 1000

Producto

Tamaopartcula (m)(Mediana de

distribucin de masa)

Energamnima

de ignicin (mJ)

almidn de maz < 10 20

harina de trigo no indicado 50

harina de guisantes 25 100

polvo de celulosa 27 10

Licopodio 30 5 a 15

polvo de aluminio < 20 < 1

azufre < 20 < 1

pVC Fino ~ 106

polietileno 30 10

polietileno 100 500

Melamina < 10 105

antraquinona 18 2 a 6

poliacrilonitrilo 27 2 a 6

tabla 4. energa mnima de ignicin de diferentes polvos

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