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White Paper
Wie kann die elektrostatische Aufladung
von Pulververarbeitungsanlagen
verhindert werden?
Angaben zum Autor:
Mike O’Brien, Leiter Produktmarketing bei Newson Gale
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Bei der Verarbeitung von Pulverstoffen können
aufgrund des Materialflusses große Ladungsmengen
entstehen. Standardmäßig kommt es bei der
Pulververarbeitung durch Reibungselektrizität zur
Aufladung. Ausschlaggebend sind hierbei der Kontakt
des Pulvers mit der Verarbeitungsanlage und die
anschließende Wiederaufhebung dieses Kontakts,
Bewegungen innerhalb des Pulvers selbst oder auch
andere aufladungsbegünstigende Faktoren wie z. B.
Oberflächenverunreinigungen.
Es gibt mehrere Typen von Anlagen, Geräten und
Behältern, die zu einer Aufladung von Pulverstoffen führen
können. Dazu gehören u. a. die folgenden Komponenten:
Pulververarbeitungs- und Pulverfördersysteme
Pneumatische Fördersysteme
(Rohr- und Schlauchleitungen)
Siebe und Filter
feinmahlanlagen
Mischer
Siebtürme
FIBC / Bigbags
Wirbelschichttrockner
Taumelbehälter
Trichter
Schneidmühlen
Staubsammelanlagen
Beutel, Säcke und Fässer
Die verschiedenen Prozesse, die mithilfe dieser Geräte,
Anlagen und Behälter durchgeführt werden, tragen in
unterschiedlichem Ausmaß zur Entstehung von
elektrostatischen Ladungen bei. Typische, aus der
Fachliteratur entnommene Ladungsmengen sind
nachstehend tabellarisch aufgeführt. Die Werte basieren
auf der Ladungsmenge in Coulomb bezogen auf ein
Kilogramm Pulver.
Prozess
Massebezogene Ladungsdichte
(µC/kg)
-3
Sieben
10-5 bis 10
Schütten
10 bis 10
Produkttransfer über
Schneckenförderer
1 bis 10
Mahlen
1 bis 10
Feinmahlen
10 bis 10
Rutschen über abschüssige
Flächen
10 bis 10
Pneumatisches Fördern
10 bis 10
-3
-1
-2
-1
-1
2
-1
-1
3
Tabelle 2: Ladungen, die durch verschiedene Verarbeitungsund Fördertechniken auf Pulvern erzeugt werden
(NFPA 77 & CLC/TR: 60079-32-1)
Tabelle 1: Geräte, Anlagen und Behälter, die bei der
Pulververarbeitung zum Einsatz kommen können
Eine einfache Berechnung zeigt, dass sich ein Metallfass
mit einer elektrischen Kapazität von 100 pF, in das 25 kg
eines elektrisch aufgeladenen Pulvers geschüttet werden,
bis zu einer Spannung von 25.000 V aufladen kann.
Die potentielle Energie, die in Form eines Funkens von
diesem Fass abgegeben werden könnte, lässt sich wie
folgt abschätzen:
Potentielle Funkenenergie in W:
2
W = 0,5(C)(V )
V=Q/C
-12
-1
-6
V = 25 x 10 x 10 / 100 x 10
-12
W = 0,5(100 x 10 )(25.000)
2
W = 62,5 mJ
V = 25.000 Volt (25 Kilovolt)
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verhindert werden?
Selbst die Spannung, die durch einen Prozess
hervorgerufen wird, der eher wenig zur Ladungserzeugung
beiträgt, kann eine so hohe Funkenenergie erzeugen, dass
es zu einer Entzündung der explosionsgefährdeten
Atmosphäre kommen kann. In Tabelle 2 ist die
Mindestzündenergie verschiedener Pulverstoffe bei
minimaler explosiver Konzentration aufgelistet.
Pulver in Staubform
MIE (mj)
Magnesiumstearat
3
Polyethylen
10
Aluminiumpulver (verdüst)
50
Celluloseacetat
15
Schwefel
15
Polypropylen
30
Gebäudestrukturen realisiert. Diese Erdungssysteme
werden von Ingenieuren überprüft, um sicherzustellen,
dass der Widerstandswert unter den Werten liegt die in den
einschlägigen Normen wie NFPA 70 „National Electrical
Code®“ und EN 62305 „Blitzschutz“ gefordert werden.
Einige zurzeit auf dem Markt erhältlichen Erdungssysteme
prüfen, ob die Geräte, Anlagen und Behälter, für die sie
Erdungsschutz bereitstellen, über eine Verbindung zur
Erde verfügen, die so dimensioniert ist, dass sie
elektrostatische Ladungen ableiten kann.
In der Pharmaindustrie können sich Geräte und Anlagen
wie Pulverfördersysteme, Feinmahlanlagen, Mischer und
Siebtürme stark elektrostatisch aufladen, wenn diese
Systemkomponenten elektrisch vom Erdreich isoliert sind.
Erdungsriemen o. ä. hergestellte Verbindungen können für
einen gewollten Potentialausgleich zwischen
verschiedenen Metallkomponenten sorgen.
Entsprechendes geschieht naturgemäß über die
Kontaktflächen zwischen verschiedenen Geräten und
Anlagenteilen.
Tabelle 3: Mindestzündenergie verschiedener Pulverschwebstoffe
in brennbarer Konzentration
Wenn das Pulver in einen Mischer gegeben wird, der
wiederum ein Lösungsmittel enthält, kann die
Mindestzündenergie der Hybridatmosphäre sogar
wesentlich niedriger liegen, sodass sich die zuerst
erfolgende Zündung des Lösungsmitteldampfes zu einer
Staubdeflagration oder -verpuffung fortsetzen kann.
Als Sicherheitsfaktor muss bei diesen Berechnungen
bedacht werden, dass die Geräte, Anlagen und Behälter,
die durch das aufgeladene Pulver „elektrifiziert“ werden,
nicht geerdet sind. Liegt jedoch eine Erdung vor, dann
besteht auch keine Gefahr der Aufladung durch
Reibungselektrizität.
Erdungsschutz bei der Pulververarbeitung
In ihrer reinsten Form ist „Erdung“ ein Verfahren, bei dem
eine niederohmige elektrische Verbindung zwischen
Geräten, Anlagen und Behältern, bei denen die Gefahr
einer elektrostatischen Aufladung besteht, und der
Erdmasse hergestellt wird. Eine derartige Verbindung wird
normalerweise als „echte Erdung“ bzw. als tatsächlicher
Kontakt mit dem Erdreich beschrieben. Die Verbindung mit
dem Erdreich wird mittels speziell dafür ausgelegter und
unterirdisch verankerter Erdungsstäbe oder
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Abb. 1: Pulver wird in einen Mischer gegeben. Hierbei ist zu
beachten, dass der Behälter, aus dem das Pulver abgegeben wird,
elektrisch leitend mit dem aufnehmenden Behälter verbunden oder
über eine unabhängige Erdung verfügen sollte.
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verhindert werden?
Wenn die Geräte und Anlagen regelmäßig zu Reinigungsund Wartungszwecken demontiert werden, kann es dazu
kommen, dass die Potentialausgleichsverbindungen beim
Wiedereinbau vergessen oder falsch wiederhergestellt
werden. Vibrationen und Korrosion können sich ebenfalls
negativ auf die Qualität der Montageverbindungen
auswirken, weshalb unbedingt sichergestellt werden muss,
dass sich innerhalb der Montagegruppe keine
Komponenten befinden, die elektrisch von der Bezugserde
isoliert sind.
Das effektivste Verfahren, um sicherzustellen, dass sich die
bei der Pulververarbeitung verwendeten Anlagen, Geräte
und Behälter nicht elektrisch aufladen können, besteht in
der Bereitstellung einer entsprechenden Erdungslösung,
die die Erdverbindung der gefährdeten Komponenten
überwacht und das Personal warnt, wenn eine dieser
Komponenten den Erdschluss verliert. Besonders wichtig
ist dies, wenn der Erdanschlusspunkt an den Geräten und
Anlagen nicht direkt sichtbar oder nur schwer zugänglich
ist.
Erdungslösungen: Herkömmliches Vorgehen versus
Flexibilität
Die meisten Erdungslösungen bieten Erdungsschutz für
eigenständige Geräte, Anlagen, Behälter und Fahrzeuge,
bei denen die Gefahr einer elektrostatischen Aufladung
besteht. Dazu gehören beispielsweise Tanklastzüge,
Eisenbahnwaggons, IBCs und Fässer. Wenn
beispielsweise ein Tanklastzug Erdungsschutz benötigt,
dann wird an der Ladebühne ein einzelnes Erdungssystem mit Erdungsstatusanzeigen und
Verriegelungskontakten für das Pumpsystem installiert.
Kommt es während des Befüllens des Tanklastzugs zu
einer Unterbrechung der Erdverbindung, so erkennt das
Erdungssystem dies, schaltet die Pumpe ab oder schließt
das Ventil, über das der Tanklastzug befüllt wird.
Geräte und Anlagen zur Pulververarbeitung stellen jedoch
eine größere Herausforderung dar, da sie zahlreiche
Metallteile enthalten, die wiederum größere Baugruppen
bilden können, die elektrisch voneinander isoliert sind. So
können beispielsweise Schwingungsdämpfer zur
Vermeidung von mechanischen Beschädigungen ein
integraler Bestandteil der Konstruktion sein, was wiederum
dazu führt, dass es innerhalb der Anlage Teile gibt, die von
vornherein elektrisch voneinander isoliert sind. In anderen
Fällen kann die elektrische Isolierung die ungewollte Folge
bestimmter mechanischer Konstruktionen sein, bei denen
die Zündgefahren durch elektrostatische Ladungen nicht
oder nur unzureichend in Betracht gezogen wurden.
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Abb. 2: Dediziertes Erdungssystem für Tanklastzüge
Es muss daher unbedingt gewährleistet werden, dass auch
mehrere Komponenten, die mit aufgeladenen Pulverstoffen
in Kontakt kommen, im Hinblick auf ihren Erdungsschutz
überwacht werden. Das ist jedoch leichter gesagt als
getan, besonders wenn die Anordnung der
Anlagenkomponenten, der verfügbare Platz und die
Zugänglichkeit durch das Bedienpersonal
Einschränkungen unterliegen, sodass sich mehrere
Erdungssysteme aus räumlichen Gründen nur schwer
installieren lassen. Die einzige Alternative für die
Anlagentechniker besteht in der Durchführung
regelmäßiger Messungen mit Widerstandsmessgeräten,
um zu gewährleisten, dass kein Anlagenteil elektrisch
isoliert ist. Dies ist jedoch häufig sehr zeitaufwändig und
führt dazu, dass die Techniker weniger Zeit für kritische
Wartungen und Reparaturen haben.
Ein spezialisiertes Erdungssystem wie Earth-Rite®
MULTIPOINT bietet den Vorteil, dass es acht eigenständige
Erdungssysteme in einem Gesamtpaket umfasst. Es
ermöglicht den Anwendern ein hohes Maß an Flexibilität,
da es Erdungsschutz sowie Erdungsüberwachung für
mehrere Einzelkomponenten von
Pulververarbeitungsanlagen über eine an der Wand
montierte Überwachungseinheit mit acht einzelne
Erdungsanzegen bietet.
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Wie kann die elektrostatische Aufladung
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verhindert werden?
Darüber hinaus prüft das Earth-Rite® MULTIPOINT-System
ständig, ob alle Komponenten mit einem
Bezugserdungspunkt verbunden sind. So wird
sichergestellt, dass der Widerstandswert der Erdleitung
zwischen den Anlageteilen und der Bezugserde zu keinem
Zeitpunkt über 10 Ohm liegt. In der NFPA 77
„Recommended Practice on Static Electricity“
(Empfehlungen für den Umgang mit statischer
Elektrizität) und in der Cenelec CLC/TR 60079-32-1:
“Explosionsfähige Atmosphäre - Elektrostatische
Gefährdungen, Leitfaden” (2015) wird ein
Widerstandswert des Erdungspfades von maximal 10 Ohm
empfohlen.
Wenn die Überwachungseinheit des Earth-Rite®
MULTIPOINT-Systems erkennt, dass eines der
Anlagenteile nicht geerdet ist, wird ein Signal an die
Steuerung gesendet. Wenn die Steuerung wiederum mit
dem Stromkreis gekoppelt ist, über den der Prozess mit
Energie versorgt wird, kann der Prozess gestoppt und
somit der Ladungsmechanismus und die potentielle
Aufladung des ungeerdeten Anlagenteils unterbunden
werden.
In einer solchen Situation kann der Anlagentechniker sehr
schnell erkennen, welcher Anschluss überprüft werden
muss. Dazu genügt ein Blick auf die Erdungsanzeige der
Überwachungs-einheit, die genau anzeigt, welcher Kanal
einer Überprüfung bedarf. Sobald die Erdung des
Anlagenteils wiederhergestellt ist, erteilt die Earth-Rite®
MULTIPOINT-Steuerung eine Freigabe für die
Wiederaufnahme des Prozesses.
Earth-Rite® MULTIPOINT: eine flexible Lösung für
die pulververarbeitende Industrie
Flexibilität bei der Montage ist eine der Schlüsselvorteile
des Earth-Rite® MULTIPOINT-Systems. Die
Überwachungseinheit, die jeweils acht grüne und acht rote
Anzeige-LEDs umfasst und in einem Edelstahlgehäuse
untergebracht ist, kann an einem Ort positioniert werden,
von dem aus die weitere Verkabelung problemlos möglich
und der für die Techniker leicht zugänglich ist. So können
diese leicht prüfen, ob die an den jeweiligen
Überwachungspunkten angeschlossenen LEDs grün oder
rot leuchten. Wenn eine der roten LEDs anzeigt, dass der
elektrische Durchgang zum zugehörigen Anlagenteil
unterbrochen ist, kann der Techniker die entsprechende
Stelle inspizieren, um festzustellen, ob das Anlagenteil
eventuell nicht korrekt angeschlossen wurde oder ob das
Überwachungskabel fehlerhaft ist.
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Die Verbindungen zu den Anlagenteilen können entweder
dauerhaft oder temporär ausgelegt sein. Dauerhaft
ausgelegte Verbindungen sind für Situationen geeignet, in
denen die Anlagenteile für relativ lange Zeiträume an Ort
und Stelle verbleiben. In der Regel erfolgt der Anschluss
über ein zweiadriges Kabel, das über Anschlussösen an
beiden Adern mit dem zu erdenden Anlagenteil verbunden
wird. So wird gewährleistet, dass das Anlagenteil über
einen Erdungsanschluss mit einem Widerstandswert von
maximal 10 Ohm verfügt, der über eine Rückschleife mit
der Überwachungseinheit verbunden ist.
Bei temporär ausgelegten Anschlüssen, z. B. bei
Anwendungsfällen im Zusammenhang mit mobilen
Säcken, Beuteln und Fässern, können zweipolige
Erdungsklammern zum Einsatz kommen. Sie dienen zur
Erdung der Behälter, wenn diese mit Pulver befüllt oder
Pulver aus ihnen entnommen wird.
Die am weitesten verbreitete Anwendung, bezogen auf die
Verriegelungsoption, ist die, dass der gesamte Prozess
über einen einzigen Relaisausgang der Earth-Rite®
MULTIPOINT-Steuerung gestoppt wird, damit das
elektrisch isolierte Anlagenteil identifiziert und repariert
werden kann. Indem man den Pulverfluss stoppt, wird
gewährleistet, dass sich keine elektrostatischen Ladungen
aufbauen können, solange ein Anlagenteil nicht geerdet
ist.
Wenn die Anlagenerdung jedoch nicht zu 100 % während
der gesamten Zeit erforderlich ist, kann die Anzahl der
verwendeten Relais je nach Art des Prozesses erhöht
werden. Im Beispiel der Abbildung 4 könnten die Kanäle 1
bis 7 mit einem gemeinsamen Relais und Kanal 8 mit
einem eigenen Relais verbunden werden. Erst wenn für
den Behälter eine Erdung erforderlich ist, müsste für Kanal
8 eine Freigabe erteilt werden, sodass über das
zugehörige Relais ein Ventil geöffnet wird, durch das der
mobile Behälter mit Pulver befüllt wird. Die Relais, die über
die Kanäle 1 bis 7 laufen, könnten mit dem Startstromkreis
oder der SPS-Steuerung verbunden werden, die das
Fördersystem oder die Pulvertrocknungsanlage steuert.
Abb 3. Earth-Rite® MULTIPOINT
Überwachungseinheit
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Wie kann die elektrostatische Aufladung
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verhindert werden?
Auch wenn insgesamt 8 Überwachungskanäle verfügbar
sind, werden möglicherweise nicht alle benötigt. Wenn z.
B. nur 5 Prozessanlagenteile überwacht werden müssen,
sind dafür auch nur 5 Kanäle erforderlich. Die restlichen 3
Kanäle können zu einem späteren Zeitpunkt verwendet
werden, wenn aufgrund von Prozessänderungen
zusätzliche Anlagenteile oder Geräte integriert werden
müssen.
Darüber hinaus kann das Earth-Rite® MULTIPOINT-System
so angeschlossen werden, dass über einzelne Kanäle
mehrere, untereinander verbundene
Anlagenkomponenten überwacht werden, sofern die
Anlage über einen entsprechenden Anschluss an die
Bezugserde verfügt und innerhalb der überwachten
Konstruktion keine zufälligen Erdverbindungen vorliegen.
Eine hilfreiche Anschlussoption bei diesem Verfahren ist
ein einadriger Steckverbinder, über den die
Anlagentechniker die Kabelverbindungen zu den zu
überwachenden Anlagenteilen schnell herstellen und
unterbrechen können. Zur Bestimmung des am besten
geeigneten Installationsverfahrens ist die Beratung durch
Fachleute unerlässlich.
Klasse II, Div. 2 / Ex-Zone 22
1
2
3
EX
Ungefährlicher
Bereich
4
Das außerhalb des Gefahrenbereichs
montierte Steuergerät versorgt die
Überwachungseinheit über einen
eigensicheren Stromkreis (ia) mit
Strom.
230 V/115 V-Wechselstromversorgung
5
Mehrfache Verriegelungsoptionen
(bis zu 8)
230 / 115 V AC
Verriegelungsausgänge
Bezugserde
6
8
7
Verbindung mit dem
tatsächlichen Erdreich
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®
Abb. 4: Beispiel für eine Earth-Rite MULTIPOINT-Installation
Siete 5 von 6
Wie kann die elektrostatische Aufladung
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In der pulververarbeitenden Industrie stellen
elektrostatische Ladungen in potentiell brennbaren
Atmosphären eine tückische Zündgefahr dar. Die
elektrostatischen Ladungsmechanismen und die
entsprechend erzeugten Ladungsmengen sind in der
Regel umfassender und größer als jene, die bei der
Förderung und Verarbeitung von brennbaren Flüssigkeiten
in petrochemischen Prozessen auftreten. Es ist daher
zwingend notwendig, dass alle leitenden Komponenten –
seien sie nun Teil einer Maschinenanlage oder mobile
Behälter – über einen Erdungsschutz verfügen, um eine
elektrostatische Aufladung und eine mögliche Entladung
in Form eines hochenergetischen Funkens zu verhindern.
Konventionelle Erdungssysteme, die für die Überwachung
eigenständiger Anlagen, Geräte und Komponenten wie
IBCs und Tanklastzüge ausgelegt sind, sind aller
Wahrscheinlichkeit nach keine praktikable Lösung für
typische Pulververarbeitungsanlagen wie
Wirbelschichttrockner oder Siebtürme. Aufgrund der
Menge der benötigten Systeme, des Mangels an
verfügbarem Raum und anderer Montageschwierigkeiten
wäre die Verwendung derartiger Systeme zu kompliziert,
zu teuer oder beides.
Ein einzigartiges Erdungssystem wie Earth-Rite®
MULTIPOINT minimiert den Platzbedarf für die Installation
und überwindet gleichzeitig die Kluft zwischen
zeitaufwändigen Prüfungen mit Universalmessgeräten
einerseits und bestmöglichem Erdungsschutz durch
angepasste Erdungsüberwachungssysteme andererseits.
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