Опасность статического электричества и методы ее оценки

Статическое электричество в химической промышленности прежде всего представляет пожарную опасность, поскольку возникающие искровые разряды по энергии могут превышать минимальную энергию зажигания горючих сред: газов, паров ЛВЖ, пылей мелкодисперсных материалов.

Все взрывы и пожары в основном происходят в результате искрового разряда: а) с поверхности заряженного диэлектрического материала, 6) с заряженного металлического незаземленного оборудования и в) с тела человека на заземленный предмет.

Так, для расчета энергии разряда (в мДж) с поверхности жидкости может быть использовано следующее уравнение:

, (6.2)

где Са, Ск - распределенная электрическая емкость поверхности жидкости в реальном аппарате и в экспериментальной камере, Ф/м2; ба - максимальная поверхностная плотность заряда жидкости в аппарате, Кл/м2 (предельная бо = 2,65-10 5 Кл/м2); ф - безразмерный коэффициент, определяемый экспериментально для каждой жидкости.

Однако эта формула справедлива только при нормальных условиях. В реальных же условиях перерабатываемые жидкие продукты могут находиться при температурах и давлениях, отличающихся от нормальных. Поэтому формула для расчета Wpaзр будет иметь вид

, (6.3)

где Uпов - потенциал поверхности жидкости, кВ; дельтаРа - изменение давления в аппарате, резервуаре. Па; дельтаT = (Та — 20) - изменение температуры, °С; Та - температура в аппарате.

Энергия, выделяющаяся при электростатическом разряде, в общем случае определяется как

, (6.4)

где б - поверхностная плотность заряда на материале, Кл/м2; S - разряжаемая поверхность, м2; U - разность потенциалов между разряжаемой поверхностью и объектом, на который происходит разряд, В.

Для проводящих незаземленных объектов, а также тела человека, которые могут заряжаться как контактным, так и индуктивным путем, имеющих большую емкость относительно земли (102...103 пФ), при приближении их к заземленным поверхностям возникает искровой разряд большой мощности в виде одной искры. Энергия искрового разряда в этих случаях определяется по формуле

, (6.5)

Величины емкости проводящего объекта (Сп.о) и потенциала проводящего объекта (Uн.o) могут быть измерены в производственных условиях или рассчитаны теоретически.

Однако не всякий искровой разряд способен воспламенить паро-, газо- или пылевоздушную смесь в аппаратах, резервуарах или в воздушном пространстве производственного помещения. Критерием безопасности в этом случае служит следующее соотношение:

, (6.6)

где L, l - длина искрового промежутка в реальных условиях и при экспериментальном определении Wмuн (минимальной) энергии зажигания перерабатываемого продукта, м; 0,4 - коэффициент безопасности.

Минимальная энергия зажигания для различных веществ приведена в "Правилах". Так, например, для ацетона она составляет 0,25 мДж, для растворителя "Нефрас" (бензин "Галоша") - 0,234, для этилового спирта - 0,14. Причем с увеличением температуры она резко снижается.

Наряду с пожарной опасностью статическое электричество представляет опасность и для обслуживающего персонала. Легкие "уколы" при работе с сильно наэлектризованными материалами вредно влияют на психику рабочих и в определенных ситуациях могут способствовать травмам на технологическом оборудовании. Сильные искровые разряды, возникающие, например, при затаривании гранулированных материалов, могут вызвать' и болевые ощущения.

Кроме того, при постоянном прохождении через тело человека малых токов электризации возможны неблагоприятные физиологические изменения в организме, приводящие к профзаболеваниям. Вследствие этого в нашей стране в соответствии с ГОСТ 12.1.045-84 введены допустимые уровни напряженности электростатических полей Епред.

Так, для Епред = 60 кВ/м максимальное время пребывания тдо, без средств защиты составляет 1 ч. Для Е = 20 кВ/м время пребывания персонала в электростатических полях не регламентируется. Для Е = 20...60 кВ/м тдоп определяется по формуле

, (6.7)

где Ефакт - фактическое значение Е, кВ/м.

Статическое электричество сильно влияет также на ход технологических процессов получения и переработки материалов и качество продукции. Так, при чешуировании жирных кислот взаимное отталкивание заряженных частиц столь значительно, что некоторые из них оседают по пути и не попадают в бункер. Кроме того, частицы, попавшие в бункер, налипают на его стенки, что затрудняет разгрузку бункера.

При производстве полимерных пленок в присутствии зарядов повышается их трение о направляющие, что объясняется эффектом электростатического прилипания. Это приводит к неравномерной деформации материала и его плохой намотке на барабаны.

При больших плотностях заряда может возникать электрический пробой тонких полимерных пленок электро- и радиотехнического назначения, что приводит к браку выпускаемой продукции. Особенно большой ущерб наносит вызванное электростатическим притяжением налипание пыли на полимерные пленки. При прохождении пленки через технологическое оборудование налипшие частицы вдавливаются в нее, в результате чего изменяется толщина пленки, причем в производственных условиях обнаружить эти частицы не удастся.

Электризация затрудняет просеивание, сушку, пневмотранспортирование и автоматическое дозирование мелкодисперсных материалов, поскольку они прилипают к стенкам технологического оборудования и слипаются между собой.

Для оценки опасности статического электричества и эффективности использования различных средств и методов защиты возникает необходимость проводить измерения уровня (тока) электризации, оценка которого существенным образом связана с агрегатным состоянием перерабатываемых материалов.

Так, для оценки электризации жидкостей, мелкодисперсных и гранулированных материалов, транспортируемых по трубопроводам, используется метод измерения силы тока утечки с изолированного от земли участка трубопровода. Однако значительно труднее произвести эти измерения на диэлектриках, поскольку в данном случае отсутствуют свободно перемещающиеся заряды и распределение их на поверхности материала весьма неоднородно.

Контактный метод для этого не годится, поэтому плотность зарядов на поверхности жидкости или твердого материала измеряют в основном бесконтактным способом.

Для этих целей используют однокаскадные электрометрические усилители постоянного тока с датчиками емкостного типа и приборы, работающие по принципу электростатического флюкемстра. Приборы первого типа, являющиеся статическими индукционными электрометрами, имеют сравнительно простые схемы и конструкции и легко могут быть выполнены портативными с автономным питанием.

В таких приборах (например, в приборе ИЭСП-9, разработанном в МИТХТ им. М.В. Ломоносова) чувствительный элемент датчика (рис. 6.1), соединенный с сеткой электрометрической лампы Л, являющейся одним плечом мостовой схемы, постоянно открыт и неподвижен, поэтому при неизменной плотности заряда на электризующемся материале индуцированный на нем заряд, противоположный по знаку, также неизменен.

Рис. 6.1. Принципиальная схема датчика и измерительного моста прибора ИЭСП-9 (R1, R2, R3, R4 - постоянные сопротивления; R5 - переменное сопротивление для установки нуля)

При наличии наведенного заряда на дисковом электроде Д изменяется сила анодного тока лампы, и мост выходит из баланса. Сила тока разбаланса моста увеличивается однокаскадным транзисторным усилителем и регистрируется стрелочным прибором. Однако эти приборы не могут работать в непрерывном режиме, что исключает их применение для постоянного контроля электризации в закрытой технологической аппаратуре.

Для этих целей используют электростатические флюксметры (динамические индукционные электрометры). В этих приборах заряд, индуцированный на чувствительном элементе датчика (рис. 6.2), при неизменной плотности заряда на электризующемся материале периодически изменяется. Достигается это периодическим экранированием, создаваемым вращающейся от двигателя заземленной крыльчаткой.

Рис. 6.2. Принципиальная схема датчика электростатического флюксметра:
1 - корпус датчика; 2 - чувствительный элемент датчика; 3 - трапецеидалые отверстия в корпусе датчика (6 шт.); 4 - исследуемый наэлектризованный материал; 5 - крыльчатка; D - двигатель; Е - напряженность электрического поля, В/м

Чтобы оценить электрофизические параметры веществ и материалов (pv и ps), определяющие их склонность к электризации, используются ГОСТ 6433.2 "Материалы электроизоляционные твердые. Методы определения электрических сопротивлений при постоянном напряжении" (для величин pv более 104 Ом-м), в котором представлены основные размеры и материалы электродов, расчетные формулы, требования к отбору образцов, а также ГОСТ 20214 "Пластмассы электропроводящие. Методы определения при постоянном напряжении" (для величин pv менее 104 Омм), по которому pv измеряется потен циомстрическим методом.