Influence de l'électricité statique sur l'écoulement des poudres

L'impact des charges électrostatiques sur l'aptitude à l'écoulement des poudres est généralement mal connu, mais il peut entraîner une mauvaise écoulement, une ségrégation, une accumulation de poudre pouvant poser problème pour une entreprise, en particulier lors du remplissage des poudres. Cette page fournit des informations sur les causes profondes des phénomènes électrostatiques dans la manipulation des poudres, énumère certains problèmes pouvant survenir et explique comment les résoudre.

1. Électricité statique et écoulement des poudres

Le frottement de deux solides libère des charges électriques ; pensez par exemple à ce qui se produit lorsqu'une personne frotte un tissu sur une baguette de verre : la baguette se charge.

C'est le même phénomène, appelé triboélectrification, qui se produit lorsque des solides en vrac sont déplacés : les particules se heurtent entre elles, contre les parois de la tuyauterie, une trémie... et se chargent ainsi [3].

Lorsque les particules sont suffisamment chargées et qu'elles entrent en contact avec des surfaces chargées de manière opposée, les particules peuvent alors adhérer à la surface. Pour que le phénomène se produise et soit significatif, la poudre doit être suffisamment isolante (résistivité élevée).

Les observations expérimentales montrent que les particules dans un mélange ne sont pas toutes chargées de la même manière : les particules plus petites tendent à être chargées de manière opposée aux particules plus grosses. Il semble que ces petites particules soient également plus négativement chargées (mais pas uniquement, certaines sont également positives en raison du transfert de charge avec l'équipement de traitement) que les plus grosses [3].

Quelles opérations unitaires génèrent de l'électricité statique ?

Comme mentionné précédemment, la triboélectrification se produit lorsque la poudre est en mouvement.Le frottement des particules avec l'équipement de traitement crée des charges sur la poudre. L'intensité du phénomène est en fait proportionnelle au débit massique, à la vitesse des particules et inversement proportionnelle au diamètre des particules :

I = (Ka.M.V^{^b})/d [1]

Avec :
I = courant triboélectrique (A)
Ka = constante dépendant du matériau
M = débit massique (kg/s)
V = vitesse (m/s)
d = diamètre des particules (m)
b = constante (1,4 à 1,9)

Cela signifie que l'électricité statique sera générée préférentiellement pour les particules fines, transportées à grande vitesse et avec un débit élevé. Une opération de traitement correspond particulièrement à cette définition : le transport pneumatique. Le transport pneumatique de poudre génère en effet beaucoup de frottements et charge ainsi les particules et l'équipement de traitement (d'où la nécessité de mettre à la terre l'équipement). Une chute par gravité sur une grande hauteur peut également être une autre opération générant une quantité importante d'électricité statique.

2. Problèmes d'écoulement causés par l'électricité statique

La triboélectrification des solides en vrac peut entraîner différents problèmes, notamment :

• Un mauvais écoulement de la poudre hors des trémies ou une accumulation de poudre
• Une ségrégation de la poudre en vrac avec séparation des particules grossières et fines
• Un changement de la densité apparente de la poudre

2.1 Mauvaise écoulement

En raison de leur charge électrostatique, les particules peuvent adhérer aux surfaces des trémies ou d'autres parties de l'équipement si elles sont suffisamment isolantes (elles conserveront leur charge pendant un certain temps même au contact d'un équipement mis à la terre). Pour les grands procédés, cela n'est généralement pas une préoccupation majeure, mais cela peut avoir des conséquences pour les opérations nécessitant plus de précision, telles que le remplissage volumétrique (certaines poudres peuvent rester collées à l'intérieur des coupes volumétriques, modifiant ainsi le volume réel rempli, en adhérant aux parties métalliques mises à la terre ou aux parties en plastique isolantes).

2.2 Ségrégation des poudres

De manière similaire aux phénomènes décrits ci-dessus, l'électricité statique chargeant les particules aura un effet primaire sur les petites particules, pour lesquelles les (faibles) forces électrostatiques suffiront à maintenir les particules à la surface d'une trémie, par exemple. Les petites particules seront donc préférentiellement retenues tandis que les grosses ne seront que peu affectées. Il est donc possible d'observer un effet de ségrégation où les grosses particules sortiront en premier de la trémie.

2.3 Densité apparente modifiée

Les particules, lors du processus de triboélectrification, acquièrent la même charge. Par conséquent, elles se repoussent mutuellement, ce qui conduit à un produit moins compact ayant une densité apparente plus faible. Cela peut poser problème, en particulier lors de l' opération de remplissage , où le remplissage volumétrique n'est précis que si la densité apparente est bien maîtrisée.

3. Comment résoudre les problèmes d'écoulement dus à l'électricité statique ?

Comme vu précédemment, la charge des poudres lors de leur manipulation peut entraîner divers problèmes dont les conséquences peuvent affecter le processus industriel, en particulier dans le cas des opérations de remplissage. Il est donc nécessaire, lorsqu'un problème dû à l'électricité statique a été identifié, de trouver des moyens pour le contrôler. Les stratégies suivantes peuvent être appliquées :

• Laisser le temps à la poudre de se décharger : la poudre se charge pendant le mouvement, ce qui implique des frottements ; une fois la poudre stockée dans une trémie, elle se déchargera lentement. Il peut alors être intéressant d'avoir un tampon dont le temps de séjour est suffisamment long pour permettre à la poudre de libérer ses charges. Cette méthode peut ne pas être économiquement viable si le temps de décharge est trop long.
• Contrôler l'humidité de l'environnement : les particules isolantes conserveront leur charge pendant un certain temps, ce qui entraîne une adhérence aux surfaces. Cependant, si l' humidité augmente (généralement HR > 65 %), des ponts liquides se forment entre les particules, ce qui permet d'évacuer les charges et d'éviter les phénomènes décrits ci-dessus. Cette méthode de travail n'est cependant valable que pour les matériaux non sensibles à l'humidité (pas adapté pour les produits alimentaires, par exemple), et dont les propriétés d'écoulement ne changent pas trop à humidité plus élevée (ce qui peut entraîner un mottage).
• Ioniser l'air [2] : une autre stratégie, donnée par la source [2], consiste à fournir des ions pour neutraliser les particules. Cela peut être réalisé en soufflant de l'air ionisé dans le flux de produit, par exemple, juste avant le remplissage. Il n'est pas certain que cette méthode ait atteint une importance industrielle significative.

4. Électricité statique et poudres : aspects de sécurité

Il est crucial de comprendre que, si la poudre se charge pendant le transport, en entrant en contact avec des équipements, ces équipements se chargent également. Si l'équipement est isolé, il existe un risque de décharge d'électricité statique après un certain temps, pouvant entraîner une explosion de poussière. Il est donc obligatoire de s'assurer que toutes les parties de l'équipement de traitement sont mises à la terre. Vous pouvez obtenir plus d'informations sur cette exigence de sécurité très importante dans notre Manuel de Sécurité : Risques électrostatiques des poudres en vrac

De même, si les particules ont été fortement chargées lors d'une opération, par exemple un transport pneumatique, et sont stockées dans une trémie, la différence de potentiel entre le volume de particules et la paroi de la trémie peut être telle que les particules peuvent commencer à se décharger, provoquant des étincelles pouvant déclencher une explosion. Ce phénomène, appelé décharge conique, est expliqué dans la page suivante : Décharge conique

Source

[1] Électricité triboélectrique : un paramètre pour la mesure de l'écoulement des solides, Dechene et Averdieck, *Génie des Procédés des Poudres (PBE)*, 1987

[2] Comprendre et gérer les problèmes d'électricité statique dans l'ensachage et le conditionnement, Poidras et Piret, *PBE*, 1991

[3] Mesure de la charge électrostatique des mélanges pulvérulents dans un dispositif d'essai en chute libre, Zhang *et al.*, 2015, *Procedia Engineering*