Нейтрализация зарядов статического электричества

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Нейтрализация зарядов статического электричества

1.1 Основные понятия

Статическая электризация это процессы, которые приводят к образованию, разделению и накоплению зарядов разных знаков. Такие взаимодействия стали привлекать внимание очень давно, но в последнее время это стало особенно актуальным, так как в промышленности стали применять материалы с высоким удельным объемным сопротивлением v 1012 Омм и удельным поверхностным сопротивлением s 1012 Ом. Эти материалы могут сохранять заряд в течение длительного времени, а значит, может накапливаться заряд, который увеличивает напряженность электрического поля. При этом могут возникнуть условия удовлетворяющие возникновению самостоятельного разряда, а значит, может образоваться электрическая искра (пробой промежутка).

Статическая электризация, таким образом, может приводить к следующим последствиям:

возникновение разрядов и опасность взрыва или пожара;

электрический разряд не происходит, но образуется электрическое поле, которое может воздействовать на технологический процесс (в текстильной промышленности распушение нитей в пучке до диаметра 1 м, что затрудняет процесс прядения, в полиграфии слипание листов бумаги при печатании книг, что приводит к появлению брака);

воздействие на организм человека как микроразрядов, так и электрических полей;

использование зарядов статического электричества для реализации технологических процессов (зарядка в электросепарации, при нанесении порошковых полимерных покрытий и т.д.).

Мы будем рассматривать опасные проявления статического электричества. Опасные условия создаются, если:

в определенном месте происходило накопление заряда;

заряды создают электрическое поле, достаточное для развития разряда;

энергия, выделяемая в канале разряда, оказывается больше, чем минимально необходимая энергия для воспламенения среды.

Эти условия не всегда и не везде выполняются, но тем не менее во многих технологических процессах эта вероятность велика. Одним из таких процессов является перекачка нефти и нефтепродуктов по трубопроводам.

1.2 Статическое электричество при перекачке нефти по трубопроводам

1.2.1 Физика образования и накопления заряда

При соприкосновении двух тел, отличающихся фазовым состоянием, образуется двойной электрический слой.

Различают три причины образования двойного электрического слоя:

преимущественное перемещение носителей зарядов из одного тела в другое диффузия;

на границе раздела имеют место абсорбционные процессы, когда заряды одной из фаз преимущественно оседают на поверхности другой фазы;

имеет место поляризация молекул хотя бы одной из фаз. Это приводит к поляризации молекул другой фазы. Причем поляризация во второй фазе может быть размытой (диффузной).

Двойной электрический слой зависит от удельного сопротивления вещества. Чем больше сопротивление вещества, тем более размытым в глубину является второй электрический слой.

Если рассматривать перекачку нефти, то размытый второй электрический слой может уноситься перемещением нефти и накапливаться в бункере. Чем больше скорость перемещения нефти, тем больше электризация нефти.

Величина зарядов статического электричества существенно зависит от условий, в которых происходит электризация и, в частности, от того, что поверхности соприкасающихся тел могут быть «загрязнены» другими веществами. Поэтому основой количественного анализа является эксперимент или, в лучшем случае, расчетно-экспериментальные исследования.

1.2.2 Технологический процесс транспортировки нефти

Статическая зарядка топлив стала резко проявляться примерно с 60-х 70-х годов, когда начало применяться чистое топливо для улучшения экономичности работы и ресурса двигателей. На рис.10.1 показана технологическая цепочка транспортировки нефти.

Рис. 1.1 Нарастание плотности заряда в нефти при прохождении по тракту

Нарастание плотности заряда в нефти происходит в технологических устройствах, где осуществляется контакт нефти с материалами, приводящим к ее зарядке, и где увеличивается скорость течения нефти. Спад заряда наблюдается при движении нефти по заземленным трубопроводам.

При движении нефти по технологическому тракту вплоть до приемного резервуара опасности от накопления заряда статического электричества практически нет, так как воздушных промежутков в аппаратах здесь нет и нет возможности возникновения электрического пробоя в газе. Иная ситуация существует в приемном резервуаре, где обязательно наличие газового пространства над поверхностью нефти.

Заряд, накапливаемый в приемном резервуаре, можно определить из условия его увеличения за счет втекания в резервуар заряженной нефти с учетом релаксации (стекания) заряда на заземленные конструкции резервуара:

.

Здесь релаксация заряда происходит по экспоненциальной зависимости:

,

где = 0/v постоянная времени релаксации, а и соответственно относительная диэлектрическая проницаемость и проводимость нефти.

Отсюда:

.

Перепишем исходное уравнение, учитывая, что

,

где Iвх ток зарядов статического электричества на входе в резервуар.

Решением дифференциального уравнения является:

.

На рис. 10.2 приведены зависимости изменения плотности и суммарного объемного заряда нефти в приемном резервуаре.

Рис. 1.2 Зависимость суммарного объемного заряда нефти в приемном резервуаре от времени наполнения

Из зависимостей видно, что скорость роста заряда экспоненциально падает, а суммарный объемный заряд, увеличиваясь, экспоненциально стремится к предельному значению, определяемому произведением Iвх.

Поэтому для уменьшения заряда, накапливаемого в приемном резервуаре, есть два пути. Первый заключается в снижении постоянной времени релаксации путем добавления в нефть специальных присадок, увеличивающих ее проводимость. Данное направление выбрала голландская фирма «Shell». Недостатком метода является непрерывный контроль за количеством присадки в нефти и точная его дозировка, так как при очистке нефти фильтрами одновременно происходит удаление присадки.

Второй путь заключается в непосредственном уменьшении заряда, находящегося в приемном резервуаре. С этой целью используют специальные устройства, называемые нейтрализаторами статического электричества. Схема нейтрализатора статического электричества приведена на рис. 1.3.

Рис. 1.3 Нейтрализатор статического электричества

Вокруг электродов, имеющих форму игл, в результате процессов ионизации образуются области с повышенным содержанием ионов, имеющих заряд противоположного знака избыточному заряду нефти (в нашем случае положительных ионов). В результате рекомбинации отрицательных и положительных ионов избыточный заряд нефти уменьшается.

Для решения задачи по предотвращению возгорания паров нефти из-за разрядов статического электричества необходимо определить величину и распределение зарядов в приемном резервуаре в зависимости от параметров системы транспортировки, рассчитать распределение поля и определить возможность возникновения разрядов и воспламенения паров в зависимости от минимальной энергии, необходимой для воспламенения. Если вероятность воспламенения велика, то должны использоваться нейтрализаторы или вводиться ограничения на режимы перекачки (например, ограничения скорости перекачки). Опасность возникновения разрядов статического электричества зависит от размера и формы используемых резервуаров (рис. 10.4).

а) б) в) г)

Рис. 1.4 Виды резервуаров: а) прямоугольный; б) горизонтальный цилиндрический; в) вертикальный цилиндрический; г) вертикальный цилиндрический с ценральной стойкой

1.2.3 Воспламенение паров нефти

Заряд нефти, поступающей в резервуар, распределен по объему неравномерно. Это связано с релаксацией заряда на заземленные стенки конструкции. Поэтому, чем дальше рассматриваемый объем нефти от стенки резервуара, тем больше заряд в объеме. Кроме того, на поверхности нефти заряд релаксирует медленнее (особенно при приближении уровня к верхней стенке резервуара) в связи с влиянием большой величины емкости между поверхностью нефти и верхней стенкой.

Это означает, что на поверхности нефти в наиболее удаленной точке от стенок резервуара накапливается большой заряд, который создает электрическое поле между этой точкой поверхности нефти и заземленными стенками резервуара. По мере накопления заряда растет напряженность электрического поля вплоть до значения равного величине, при которой начинается разряд.

В развивающемся разряде выделяется энергия, накопленная в нефти. Для того, чтобы пары нефти воспламенились, необходима определенная энергия равная минимальной энергии воспламенения. Для разных веществ она различается:

Минимальная энергия воспламенения паро-воздушных и кислородных (в скобках) смесей (мДж)

Ацетилен	0,011 (0,0002)	Метан	0,29 (0,0027)
Ацетон	0,25	Пентан	0,18
Бензин Б-70	0,15-0,394	Толуол	0,60
Бензин "Калоша"	0,234-0,309	Пропан	0,25 (0,0021)
Водород	0,013	Топливо Т-1	0,202
Гексан	0,23	Сероуглерод	0,077
Гептан	0,24	Этан	0,24
Керосин	0,48	Этилен	0,1
		Этиловый спирт	0,14

Энергия, выделяющаяся при прибое газового промежутка, определяется по формуле:

,

где соответственно U напряжение на промежутке и i ток, протекающий через промежуток.

Микроразряды статического электричества не приводят к сколь-нибудь заметному изменению напряжения из-за очень малой длительности самих разрядов и их малой энергии.

Тогда приближенно можно считать, что U const.

Следовательно

,

т.е. энергия пропорциональна величине заряда, протекающего через канал. На рис. 10.5 показаны зависимости величины зарядов, приводящих к воспламенению паров нефтепродуктов, от диаметра заземленного шара при положительном и отрицательном зарядах статического электричества.

Рис. 1.5 Воспламеняющие способности разрядов в зависимости от диаметра заземленного шара

Воспламеняющую способность разрядов статического электричества обычно определяют, помещая заземленный сферический электрод вблизи поверхности жидкости. Видно, что воспламеняющая способность разрядов резко снижается, если диаметр сферы становится меньше 20 мм. Наименьшее значение воспламеняющего заряда соответствует электроду диаметром 2030 мм. При отрицательной полярности заряда нефти и нефтепродукта энергия воспламенения ниже, чем при положительной. В табл. 10.1 представлены параметры групп топлив по воспламеняемости.

Таблица 1.1 Группы топлив по уровню воспламеняемости

Группы топлив	Температ. вспышки	Вероятн. образован. горючей смеси	Допустим. вероятн. воспламенения	Топливо +	Топливо
				q, мкКл	Uдоп, кВ	q, мкКл	Uдоп, кВ
I	>50	0	1	не огр.	не огр.	не огр.	не огр.
II	3550	2,110-3	4,710-5	< 0,31	<84	<0,07	<31
III	2035	1,210-1	8,310-7	<0,20	<60	<0,046	<27
IV	1820	0,95	10-7	<0,16	<54	<0,04	<25



Рис. 1.6 Зависимость допустимой скорости перекачивания нефтепродуктов от накапливаемого удельного заряда и проводимости нефтепродуктов

Исследования показали, что процесс заполнения резервуара является безопасным, если потенциал на поверхности жидкости не больше 25 кВ для заряженного топлива и не больше 54 кВ для + заряженного топлива.

Исходя из режимов работы перекачивающих нефтепродукты систем и условий их безопасной работы, определяется допустимая производительность при накоплении определенного заряда в нефтепродуктах (рис. 10.6).

статический электризация нефть

1.3 Методы измерения основных параметров, характеризующих статическую электризацию

Все теоретические рассуждения из-за множества влияющих неопределенных факторов дают только качественное представление. Для количественной оценки статической опасности электризации необходимы экспериментальные исследования в данных условиях. Разработаны соответствующие методики.

1.3.1 Измерение токов электризации

а) Для жидких и сыпучих диэлектриков измерение токов осуществляют путем секционирования и изолирования отдельных секций трубопроводов и оборудования (рис. 10.7).

Рис. 1.7 Измерение токов электризации для жидких и сыпучих материалов

Суммарный входной ток в резервуар является суммой токов электризации:

Iвх= I1+ I2+ I3+ Iф+ I4+ Iс+ I5.

Размещено на http://www.allbest.ru/

б) При движении диэлектрических нитей или лент измеряется ток, протекающий в цепи заземления элементов устройств, при трении о которые происходит электризация материалов (рис.10.8).

В пределе плотность заряда на изолированной ленте может достигать величины max= 26,5 мкКл/м2, которые удается нанести на изолированную ленту. Если плотность заряда превышает это значение, то напряженность электрического поля оказывается достаточной для возникновения электрических разрядов, которые эти заряды нейтрализуют. Практически удается получить заряд с практ= 12 мкКл/м2.

1.3.2 Измерение параметров зарядов и напряженности поля

1) Использование зондов.

Рис. 1.9 Измерение заряда с помощью зонда

В качестве зонда обычно используется металлический диск небольшого размера, располагаемый параллельно поверхности заряженного изделия (рис. 10.9). Зонд окружен заземленным экраном, чтобы исключить искажение поля на краях зонда. Тогда можно четко определить часть поверхности изделия, заряд которой за счет электростатической индукции наводит заряд на зонде. Она равна площади поверхности зонда.

Если U потенциал зонда, измеренный вольтметром, то наведенный на зонде заряд будет равен

,

где Сз емкость зонда.

Соответственно, плотность заряда на изделии будет равна

,

где Sз площадь поверхности зонда.

По измеренной плотности заряда можно определить напряженность поля у поверхности изделия.

.

С помощью зондов можно измерять напряженность электрического поля U=Ea, где а расстояние от датчика до наэлектризованной поверхности, а также плотность заряда =0Е.

2) Использование «клетки Фарадея» (рис. 10.10).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для измерения заряда наэлектризованной жидкости или сыпучего материала, в особенности в тех случаях, когда трубопровод или резервуар нельзя изолировать от земли, определенный объем этой жидкости или сыпучего материала помещают в изолированную банку или сосуд и измеряют потенциал этого сосуда относительно заземленного экрана (рис. 10.10).

Заряд пробы равен

q = CU,

где С емкость между сосудом и заземляющим экраном. Плотность объемного заряда будет равна

,

где Vпроб объем жидкости или сыпучего материала.

3) Использование флюксметров.

Схема флюксметра приведена на рис.10.11. Прибор состоит из неподвижного измерительного электрода, на котором наводится индуцируемый внешним электрическим полем заряд, и вращающегося электрода. Вращающийся электрод периодически перекрывает измерительный электрод от действия внешнего поля. Когда измерительный электрод открыт, на нем наводится заряд, когда он закрыт, то заряд стекает. Амплитуда тока пропорциональна напряжению поля. Ток усиливается с помощью усилителя и подается на регистрирующий прибор. Градуировка флюксметров производится в однородном постоянном электрическом поле:

Е = U/H,

где Н расстояние между флюксметром и электродом, создающим внешнее поле.

Флюксметры используют для измерения напряженности поля в танкерах, в емкостях сыпучих материалов, вблизи поверхности пленки и т.д.



Рис. 1.11 Измерение напряженности электрического поля с помощью флюксметров

1.4 Способы защиты от разрядов статического электричества

Способы защиты:

предотвращение накопления зарядов статического электричества путем увеличения проводимости материалов (присадки, влажность),

нейтрализация зарядов статического электричества с помощью специальных устройств.

1. Заземление.

Заземление не является защитой от зарядов статического электричества, но оно необходимо для ограничения предельного заряда, который может накапливаться на изоляционных материалах и передаваться на проводящие конструкции установок. Для статического электричества заземленным считается объект, который имеет сопротивление Rзаземл.< 107 Ом при относительной влажности меньше 60%.

Постоянная времени стекания заряда с объекта = RC должна быть достаточно малой и составлять: = 10-1 с для невзрывоопасных помещений, = 10-3 с для взрывоопасных помещений.

2. Увеличение проводимости диэлектрических материалов.

1) Использование поверхностно активных веществ ПАВ. Диэлектрические вещества покрывают пленкой ПАВов, имеющих высокую проводимость. Недостатком является ухудшение действия ПАВов со временем.

2) Антистатические присадки, добавляемые в диэлектрические вещества и влияющие на их объемную проводимость. Добавляются в жидкие топлива, могут добавляться и в твердые материалы. Например, в полиэтилен добавляют сажу. Недостатком является влияние присадок на структуру веществ, ухудшая их качество.

3) Увлажнение воздуха. Наличие паров воды в воздухе более 70% приводит к быстрому стеканию зарядов статического электричества, благодаря появлению пленки влаги на поверхности.

3. Применение нейтрализаторов зарядов статического электричества.

Индукционные (пассивные) нейтрализаторы.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Индукционные (пассивные) нейтрализаторы (рис. 10.12.) представляют собой заземленный электрод в виде одной или ряда игл, размещенный над заряженной поверхностью изделия. Электрическое поле создается между заряженным изделием и заземленным коронирующим электродом. Ионы коронного разряда под действием электрического поля движутся к заряженной поверхности изделия и разряжают ее.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Недостатком является невозможность полного снятия заряда с изделия. Это связано с необходимостью некоторого «избыточного» заряда на изделии позволяющего получить напряженность превышающую напряженность, при которой возникает коронный разряд.

Высоковольтные (активные) нейтрализаторы.

В нейтрализаторах данного типа на коронирующий высоковольтный электрод подают потенциал от источника высокого напряжения (рис. 10.13.).

В этой связи нейтрализаторы получили название активные. Наличие высоковольтного источника обеспечивает устойчивую генерацию ионов независимо от наличия зарядов на изделии. Коронный разряд может создаваться между игольчатым электродом и некоронирующим заземленным электродом, выполненным в виде кольца, в отверстии которого размещается коронирующий электрод. Если необходимо снимать заряды определенного знака, то применяют источники постоянного напряжения. Для снятия любых знаков заряда на изделии используют источники переменного напряжения. Поступление ионов к поверхности изделия обеспечивается за счет поля зарядов статического электричества.

Радиоактивные нейтрализаторы.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ионизация молекул воздуха с образованием + и ионов происходит за счет энергии радиоактивного или излучения (рис. 10.14.). В зависимости от знака заряда на изделии под действием электрического поля, создаваемого этим зарядом, к поверхности изделия движутся ионы противоположного знака. Недостатком радиоактивных нейтрализаторов является малый ионизационный ток по сравнению с другими нейтрализаторами.

Комбинированные нейтрализаторы представляют собой комбинацию радиоактивных и пассивных нейтрализаторов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аэродинамические нейтрализаторы.

Ионы, образуемые в поле коронного разряда, создаваемого в камере, выносятся в область изделия потоком воздуха (рис. 10.15.). Данный тип нейтрализаторов находит применение в тех случаях, когда недопустимо воздействие на изделие световым излучением коронного разряда или потоком радиоактивного излучения, например, нейтрализация зарядов при производстве фотопленок и фотобумаг.

Эффективность нейтрализаторов может быть записана в следующем виде

,

где н и ост начальная и остаточная плотность зарядов статического электричества.

Нейтрализатор, полностью устраняющий электризацию ( = 0), обладает эффективностью = 100 %. Если происходит частичная нейтрализация заряда (ост/нач0) или перезарядка (ост/нач0), то 100 %.

В динамическом режиме, когда происходит непрерывная генерация зарядов статического электричества на поверхности наэлектризованного материала н, то эквивалентная плотность тока на единицу длины, созданная зарядами статического электричества при их перемещении со скоростью V равна

jнач=нV,

Тогда эффективность работы нейтрализатора определяется по выражению

= jнейтр/jнач,

где jнейтр плотность тока нейтрализатора на единицу длины, определенная из вольт-амперной характеристики.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вольт-амперные характеристики нейтрализаторов различных типов приведены на рис. 10.16. Из характеристик следует, что наиболее эффективными являются нейтрализаторы постоянного тока, затем индукционный и переменного тока, и наконец, радиоактивные.

Размещено на Allbest