Условия генерации и рассеяния электростатических зарядов

Широкое применение в химической промышленности диэлектрических материалов и органических соединений (полимеров, твердых и жидких углеводородов, нефтепродуктов, углеводородных топлив и т. д.) неизбежно сопровождается процессами электризации, которые нс только осложняют проведение технологических процессов, операций, снижая производительность оборудования, но и часто являются причиной пожаров и взрывов, приносящих большой материальный ущерб. Нередко такие взрывы приводят и к гибели людей.

Наибольшую опасность представляют электрические разряды с поверхности заряженных нефтепродуктов и органических жидкостей, несмотря на то что эти разряды часто имеют меньшую энергию по сравнению с разрядами с пленочных и сыпучих материалов. Связано это с тем, что такие разряды происходят в слоях воздуха, близко прилегающих к поверхности жидкости и содержащих значительное количество насыщенных паров в широком интервале температур воспламенения и обладающих крайне низкой минимальной энергией зажигания.

Образование зарядов статического электричества при контакте жидкого тела с твердым и одного твердого тела с другим во многом зависит от расстояния между трущимися поверхностями и их физического состояния (наличие пленок влаги, загрязнений, микронеровностей), скорости и коэффициента трения, давления в зоне контакта, микроклимата окружающей среды, наличия внешних электрических полей и т.д.

В основе современных представлений об образовании зарядов статического электричества в различных средах лежит теория двойных электрических слоев, возникающих на границе раздела двух фаз при условии, что контактирующие среды имеют различное количество носителей зарядов (электронов или ионов).

Двойной электрический слой, образованный на границе раздела двух сред, эквивалентен плоскому конденсатору, суммарный заряд которого равен (в Кл)

где S - площадь контакта, м2; е - диэлектрическая проницаемость среды, заключенной между границами раздела фаз (для воздуха е = 1); е0 - диэлектрическая постоянная, равная 8,85*10^-12 Ф/м; U - разность потенциалов двойного электрического слоя, В; d - расстояние между контактирующими поверхностями, м.

Возможность накопления на перерабатываемых материалах опасных электростатических зарядов определяется как интенсивностью возникновения (генерации), так и условиями стекания (рассеяния) зарядов в процессах разделения двойного слоя.

В этих процессах, которые на практике можно представить как истечение жидкости из трубопровода [например, подача мономеров, легко воспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ) в полимеризаторы, заполнение емкостей и резервуаров нефтепродуктами и т.д.], каждая из контактирующих поверхностей стремится сохранить свой заряд.

При этом за счет уменьшения электрической емкости (d растет) увеличивается разность потенциалов, и разделенные поверхности приобретают свободный заряд, который в зависимости от электрической природы контактирующих сред будет накапливаться или релаксировать (рассеиваться) в объем или на землю.

Если контактирующие среды имеют свободные носители зарядов (т.е. электропроводны), то время релаксации т = ееGpv (где pv - удельное объемное электрическое сопротивление материала, Ом*м) будет мало, и возникающий электростатический заряд мгновенно рассеивается, вследствие этого поверхностная плотность зарядов а = ее0E (Кл/м2), характеризующая наэлектризованное состояние материала, будет равна нулю, т.е. электризации не происходит (здесь Е - напряженность электростатического поля, В/м). Для металлов тр = 10¹⁶...10¹⁸ с.

В другом случае, когда одна из сред неэлектропроводна, на ней начинают накапливаться электростатические заряды, и при определенных условиях может возникнуть искровой разряд. Для большинства диэлектрических жидкостей, полимерных материалов тр может составлять 10⁴...10⁸ с.

При этом в окружающем воздушном пространстве создается напряженность электрического поля, равная 3,1*10⁶ В/м и соответствующая электрической прочности воздуха.

Следовательно, основным критерием, определяющим способность веществ электризоваться, является их удельная электропроводимость у, или у = l/pv.

В соответствии с "Правилами защиты от статического электричества в производствах химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности" все вещества и материалы в зависимости от величины pv подразделяются на диэлектрические (pv > 10⁸ Омм), антистатические (pv = 10⁵...10⁸ Омм) и электропроводящие (pv < 10⁵ Омм).

Наиболее сильно электризуются диэлектрические вещества и материалы, причем с ростом pv увеличивается и интенсивность электризации. К ним относятся нефтепродукты и неполярные растворители, большинство мономеров, практически все полярные материалы, химические волокна и ткани, сыпучие органические вещества и т. д.

Антистатические материалы, как правило, не электризуются, если не происходит их интенсивное распыление или разбрызгивание через сопла или форсунки и другие подобные устройства со скоростью в десятки и сотни метров в секунду. К таким материалам относятся некоторые полярные растворители (ацетон, спирты, сложные эфиры), некоторые амино- и фенолопласты, хлопчатобумажная ткань и ряд материалов, обладающих хорошими гидрофильными свойствами.

Электропроводящие материалы в процессах производства и переработки не электризуются. К ним относятся все металлы и их сплавы, углеродистые материалы, водные растворы, электролиты и т.п.

Если электростатические явления, возникающие при контакте твердых тел, еще в значительной степени не поддаются количественному анализу, то процессы электризации жидкостей, широко используемых в химической промышленности, достаточно изучены.

Возникновение электростатических зарядов при движении жидких компонентов (растворителей, мономеров, нефтепродуктов и т.п.) по технологическим трубопроводам связано с образованием двойного электрического слоя, что обусловлено присутствием в транспортируемой жидкости ионов. В этом случае одна часть ионов прочно держится на отрицательном или положительном конце диполей двойного слоя и вместе с ним адсорбируется на поверхности трубопровода, другая часть ионов с противоположным знаком, диффузионно распределенных в более глубоком слое жидкости, увлекается ее потоком, что и приводит к появлению заряда и, следовательно, электрического тока.

Интенсивная электризация потока жидкости в технологических трубопроводах наблюдается лишь тогда, когда pv транспортируемой жидкости превышает 10⁹ Ом*м, и резко снижается при pv более 10¹³ Ом*м. Это связано с тем, что количество ионов, которое определяется в основном наличием примесей в диэлектрических жидкостях, незначительно, поэтому разделение двойного слоя не создает больших значений электрических зарядов.

Так же как и в случае твердых диэлектриков, электризация потока жидкости не может возрастать беспредельно. Если плотность зарядов в потоке увеличивается настолько, что напряженность поля в трубопроводе достигает электрической прочности перекачиваемой жидкости, то произойдет искровой разряд. При этом предельная (критическая) объемная плотность зарядов qкр существенно зависит от диэлектрической проницаемости жидкости и диаметра используемого трубопровода.

В отдельных случаях склонность к электризации плоских полимерных материалов целесообразно оценивать по величине удельного поверхностного электрического сопротивления ps (в Ом). Многочисленными исследованиями в нашей стряне и за рубежом установлено, что полимерные материалы и пленки не электризуются, если их не превышает 10¹¹ Ом.

В соответствии с "Правилами" значения pv и р5 веществ и материалов должны указываться в технологическом регламенте, а также в исходных данных для проектирования любого технологического процесса. Однако эти значения для технических продуктов не являются постоянными и существенным образом зависят от вида используемого сырья, способа получения, наличия примесей и ряда других факторов. Поэтому для практических целей необходимо брать их максимальные значения или определять экспериментально для каждого конкретного продукта.