Einfluss statischer Elektrizität auf den Pulverfluss

Der Einfluss elektrostatischer Aufladungen auf die Fließfähigkeit von Pulvern ist in der Regel wenig bekannt, kann jedoch zu schlechter Fließfähigkeit, Entmischung oder Pulveranbackungen führen – Probleme, die für ein Unternehmen, insbesondere bei der Pulverbefüllung, erhebliche Störungen darstellen können. Diese Seite informiert über die Ursachen elektrostatischer Phänomene bei der Pulverhandhabung, listet mögliche Probleme auf und zeigt Lösungswege.

1. Statische Elektrizität und Pulverfluss

Die Reibung zweier Feststoffe setzt elektrische Ladungen frei. Denken Sie beispielsweise an das Reiben eines Tuches an einem Glasstab: Der Stab lädt sich auf.

Dasselbe Phänomen, als **Triboelektrifizierung** bezeichnet, tritt auf, wenn Schüttgüter bewegt werden: Die Partikel stoßen gegeneinander, gegen Rohrleitungen, einen Trichter usw. und laden sich dabei auf [3].

Sind die Partikel ausreichend aufgeladen und kommen mit entgegengesetzt geladenen Oberflächen in Kontakt, können sie an der Oberfläche haften bleiben. Damit das Phänomen signifikant auftritt, muss das Pulver ausreichend isolierend sein (hoher spezifischer Widerstand).

Experimentelle Beobachtungen zeigen, dass sich die Partikel in einer Mischung nicht alle gleich aufladen: Kleinere Partikel neigen dazu, sich entgegengesetzt zu größeren Partikeln aufzuladen. Offensichtlich laden sich diese kleinen Partikel auch stärker negativ auf (wobei einige durch Ladungsübertragung mit der Prozessausrüstung auch positiv geladen sein können) als größere Partikel [3].

Welche Verfahrensschritte erzeugen statische Elektrizität?

Wie bereits erwähnt, tritt Triboelektrifizierung auf, wenn das Pulver in Bewegung ist.Die Reibung der Partikel mit der Prozessausrüstung erzeugt Ladungen auf dem Pulver. Die Intensität des Phänomens ist proportional zur Massenstromrate, der Partikelgeschwindigkeit und umgekehrt proportional zum Partikeldurchmesser:

I = (Ka · M · V^{^b}) / d [1]

Mit:
I = Triboelektrischer Strom (A)
Ka = Materialabhängige Konstante
M = Massenstromrate (kg/s)
V = Geschwindigkeit (m/s)
d = Partikeldurchmesser (m)
b = Konstante (1,4 bis 1,9)

Das bedeutet, dass statische Elektrizität bevorzugt bei feinen Partikeln entsteht, die mit hoher Geschwindigkeit und hohem Massenstrom gefördert werden. Ein Verfahrensschritt passt besonders zu dieser Beschreibung: pneumatische Förderung. Die pneumatische Pulverförderung erzeugt tatsächlich viel Reibung und lädt dadurch sowohl die Partikel als auch die Prozessausrüstung auf (daher die Notwendigkeit, die Ausrüstung zu erden). Auch ein freier Fall über große Höhen kann zu einer starken elektrostatischen Aufladung führen.

2. Durch statische Elektrizität verursachte Fließprobleme

Die Triboelektrifizierung von Schüttgütern kann zu verschiedenen Problemen führen, insbesondere:

• Schlechter Pulverfluss aus Trichtern oder Pulveranbackungen
• Entmischung des Schüttguts mit Trennung von groben und feinen Partikeln
• Veränderung der Schüttdichte des Pulvers

2.1 Schlechte Fließfähigkeit

Aufgrund ihrer elektrostatischen Ladung können Partikel an den Oberflächen von Trichtern oder anderen Anlagenteilen haften, sofern diese ausreichend isolierend sind (sie behalten ihre Ladung auch nach Kontakt mit geerdeten Komponenten für eine gewisse Zeit). In großen Anlagen ist dies normalerweise kein großes Problem, aber bei präzisen Vorgängen wie volumetrischer Befüllung (Pulver kann in den volumetrischen Dosierbechern haften bleiben und somit das tatsächliche Füllvolumen verändern, oder an geerdeten Metallteilen bzw. isolierten Kunststoffteilen anhaften).

2.2 Entmischung von Pulvern

Ähnlich wie bei den oben beschriebenen Phänomenen wirkt sich die elektrostatische Aufladung der Partikel primär auf kleine Partikel aus, bei denen die (geringen) elektrostatischen Kräfte ausreichen, um sie beispielsweise an der Oberfläche eines Trichters zu halten. Die kleinen Partikel werden daher bevorzugt zurückgehalten, während die großen Partikel relativ unbeeinflusst bleiben. Es kann daher zu einem Entmischungseffekt kommen, bei dem große Partikel zuerst aus dem Trichter austreten.

2.3 Schüttdichte- änderung

Die Partikel laden sich während des Triboelektrifizierungsprozesses gleichsinnig auf. Dadurch stoßen sie sich gegenseitig ab, was zu einem lockeren Produkt mit geringerer Schüttdichte führt. Dies kann insbesondere bei der Abfüllung problematisch sein, da die volumetrische Dosierung nur dann präzise ist, wenn die Schüttdichte gut kontrolliert wird.

3. Lösungsansätze für Fließfähigkeitsprobleme durch statische Elektrizität

Wie oben beschrieben, kann die Aufladung von Pulvern während der Handhabung zu verschiedenen Problemen führen, deren Folgen den industriellen Prozess – insbesondere bei Abfüllvorgängen – beeinträchtigen können. Daher ist es notwendig, bei identifizierten Problemen durch elektrostatische Aufladung Maßnahmen zu deren Kontrolle zu ergreifen. Folgende Strategien können angewendet werden:

• Pulver Zeit zum Entladen geben: Das Pulver lädt sich während der Bewegung (und damit der Reibung) auf. Sobald es in einem Trichter gelagert wird, entlädt es sich langsam. Daher kann es sinnvoll sein, einen Puffer mit ausreichender Verweilzeit vorzusehen, damit das Pulver seine Ladung abgeben kann. Diese Methode ist jedoch wirtschaftlich nicht tragbar, wenn die Entladezeit zu lang ist.
• Umgebungsfeuchtigkeit kontrollieren: Isolierende Partikel behalten ihre Ladung für eine gewisse Zeit, was zu Anhaftungen an Oberflächen führt. Steigt jedoch die Luftfeuchtigkeit (typischerweise RH > 65 %) , bilden sich Flüssigkeitsbrücken zwischen den Partikeln, die die Ladungen ableiten und die beschriebenen Phänomene verhindern. Diese Vorgehensweise ist jedoch nur für Materialien geeignet, die nicht feuchtigkeitsempfindlich sind (z. B. nicht für Lebensmittel) und deren Fließeigenschaften sich bei höherer Feuchtigkeit nicht stark verschlechtern (dies kann zu Verbackungen führen).
• Luft ionisieren [2]: Eine weitere in Quelle [2] beschriebene Strategie besteht darin, Ionen bereitzustellen, um die Partikel zu neutralisieren. Dies kann beispielsweise durch Einblasen ionisierter Luft in den Produktstrom erfolgen, und zwar kurz vor der Befüllung. Es ist unklar, ob diese Methode in der Industrie weit verbreitet ist.

4. Statische Elektrizität und Pulver: Sicherheitsaspekte

Es ist entscheidend zu verstehen, dass sich nicht nur das Pulver während des Transports auflädt, sondern auch die Anlagenteile, mit denen es in Kontakt kommt. Sind diese Teile isoliert, besteht das Risiko einer elektrostatischen Entladung nach einiger Zeit, die zu einer Staubexplosion führen kann. Daher ist es zwingend erforderlich, dass alle Komponenten der Prozessanlage geerdet sind. Weitere Informationen zu dieser wichtigen Sicherheitsanforderung finden Sie in unserem **Sicherheitshandbuch**: Gefahren durch elektrostatische Aufladung von Schüttgütern

Wurden die Partikel während eines Verfahrensschritts – z. B. der pneumatischen Förderung – stark aufgeladen und in einem Trichter gelagert, kann der Potenzialunterschied zwischen der Pulverschüttung und der Trichterwand so groß sein, dass es zu Entladungen kommt, die Funken erzeugen und eine Explosion auslösen können. Dieses als **Kegelentladung** bekannte Phänomen wird auf der folgenden Seite erläutert: Kegelentladung

Quelle

[1] Triboelektrizität: Ein Parameter zur Messung des Schüttgutflusses, Dechene und Averdieck, PBE, 1987

[2] Verständnis und Handhabung von Problemen mit statischer Elektrizität bei der Abfüllung und Verpackung, Poidras und Piret, PBE, 1991

[3] Messung der elektrostatischen Aufladung von Pulvermischungen in einer Falltest-Vorrichtung, Zhang et al., 2015, Procedia Engineering