Исследование опасности воспламенения горючих смесей разрядами статического электричества. Методические указания

Министерство образования и науки России Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПАСНОСТИ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ГОРЮЧИХ СМЕСЕЙ РАЗРЯДАМИ СТАТИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Методические указания к лабораторной работе

Казань Издательство КНИТУ

2014

УДК 537.2 ББК 22.33

Составители: доц. Ф.А. Галеев ст. преп. Р.З. Хайруллин

ст. преп. В.Н. Филатов

Исследование опасности воспламенения горючих смесей разрядами статического электричества: метод. указания / сост.: Ф.А. Галеев, Р.З. Хайруллин, В.Н. Филатов; М-во образ. и науки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. Казань : Изд-во КНИТУ, 2014. 24 с.

Изложены причины образования зарядов статического электричества, опасности проявления статического электричества в промышленности и методы их устранения, приведена методика выполнения лабораторной работы.

Предназначены для студентов всех специальностей и всех форм обучения, изучающих курс «Безопасность жизнедеятельности».

Подготовлены на кафедре промышленной безопасности.

Печатаются по решению методической комиссии факультета химических технологий

Рецензенты: д-р техн. наук, проф. каф. МАХП КНИТУ

Э.Ш. Теляков

доц. каф. теплогазоснабжения и вентиляции КГАСУ Л.Э. Осипова

2

Цель работы

1.Причины возникновения зарядов статического электричества и основные опасности их возникновения.

2.Ознакомление с особенностями электризации твердых, сыпучих и жидких диэлектриков.

3.Методы и способы защиты от опасных проявлений статического электричества.

4.Изучение процесса электризации диэлектрических материалов

иоценка опасности воспламенения от разрядов статического электричества.

Многие производства в нефтехимической, текстильной и полимерной промышленности, связанные с изготовлением, обработкой, применением и транспортировкой материалов, обладающих низкой электропроводностью и способных поэтому длительно сохранять электрические заряды, т.е. накапливать заряды статического электричества.

Образование зарядов статического электричества препятствует нормальному ходу технологических процессов, обуславливает появление брака и снижение скоростей выполняемых операций. Так в текстильном производстве это приводит к ограничению скорости обработки волокна, создает затруднения в бумажной и полиграфической промышленности, в производстве полимерной пленки.

Искрообразование в результате разрядов статического электричества может привести к пожарам и взрывам. Пожары и взрывы создают непосредственную угрозу жизни человека. Известны случаи пожаров и взрывов, вызванных разрядами статического электричества на танкерах, при перемещении сыпучих веществ, загрузке топливозаправщиков, связанные с человеческими жертвами.

Анализ причин аварий на объектах мукомольной промышленности, связанных с техническим состоянием оборудования в 1990-2010г., показал, что доля аварий от статического электричества составляет от 14 до 20 % от общего числа взрывов. Именно поэтому необходимо иметь достаточные знания о механизме статической электризации, способах обнаружения и измерения статического электричества, а также меры защиты от его негативного воздействия [1].

3

Понятие о статическом электричестве

Под статическим электричеством принято понимать электрические заряды, находящиеся в состоянии относительного покоя, распределенные на поверхности или в объеме диэлектрика или на поверхности изолированного проводника. Статическая электризация – термин, используемый для обозначения любого процесса, заканчивающегося разделением электрических зарядов на положительные и отрицательные.

Все материалы различаются по степени проводимости электрических зарядов. Проводники позволяют зарядам течь, тогда как изоляторы затрудняют движение зарядов. Когда заряды текут, возникает ток, и электричество уже больше не является статическим. Перемещение зарядов статического электричества в пространстве обычно происходит вместе с наэлектризованными телами [1].

Возникновение зарядов статического электричества происходит при деформации, дроблении, разбрызгивании, контактировании веществ, относительном перемещении двух находящихся в контакте тел, слоев жидких или сыпучих материалов (трении), или столкновении двух поверхностей (эти поверхности могут быть двумя твердыми телами или одно твердым, а другое – жидким), при интенсивном перемешивании, кристаллизации, испарении веществ. Реже таким механическим процессом может быть, разрыв или разделение твердых или жидких поверхностей. Так, например, при движении резиновой ленты транспортера и в устройствах ременной передачи на ленте (ремне) и на роликах транспортера (шкивах) из-за некоторой пробуксовки возникают заряды противоположных знаков и большого значения, а разность потенциалов достигает 45 кВ.

По строению все вещества электрически нейтральны, т.е. обладают равным количеством положительных и отрицательных зарядов. Тело является наэлектризованным, если содержит избыток электрических зарядов какого-либо одного знака.

Процесс электризации заключается в том, что одно тело приобретает или отдает другому электрические заряды преимущественно одного знака. Обмен зарядами между взаимодействующими телами происходит на границе их соприкосновения или вблизи ее за счет сложных физико-химических процессов.

Контакт двух разнородных электрически нейтральных тел сопровождается возникновением на границе их соприкосновения двойного электрического слоя (рис. 1).

4

Рис. 1. Электризация пленки: Iг.р- ток газового разряда; Iпров- ток проводимости; ДЭС - двойной электрический слой

Переход зарядов с одного тела на другое (диффузия) возможен вследствие разности энергетического состояния взаимодействующих поверхностей, например работ выхода электронов, температур, концентраций носителей электрического заряда и др. Электризуются, как правило, разнородные материалы. Однако образование двойных электрических слоев возможно при контакте тел и из одинаковых диэлектрических материалов за счет наличия на их поверхностях загрязнений, различной температуры тел и т.д. Трение способствует электризации тел за счет увеличения числа контактных точек и перехода работы трения в тепло, изменяющее энергетическое состояние взаимодействующих поверхностей. Находящиеся в контакте тела с образовавшимся на границе раздела двойным электрическим слоем остаются электрически нейтральными, т.е. суммарный заряд системы может быть равен нулю, если до соприкосновения тела не несли избыточного электрического заряда. Однако каждое из контактирующих тел приобретает электрический заряд, плотность которого равна плотности заряда, возникшего двойного электрического слоя. Знаки зарядов взаимодействующих тел противоположны. Двойной электрический слой можно упрощенно представить в виде конденсатора, обкладками которого являются поверхности контактирующих тел.

У проводящих материалов заряды под действием электрического поля движутся свободно и при разделении поверхностей практически полностью нейтрализуются. Этим объясняется очень слабая статическая электризация проводящих тел. У диэлектриков, обладающих низкой электропроводностью, большая часть двойного слоя остается на разделяемых поверхностях.

После механического разделения каждое тело приобретает равные по величине электрические заряды противоположного знака. При удалении этих тел друг от друга (при уменьшении электрической емкости системы) за счет совершаемой работы против электрических сил разность потенциалов между ними возрастает и может достигнуть

5

десятков и сотен киловольт и привести к релаксации через возникновение тока проводимости и тока газового разряда (искра) (см. рис 1). Так, при максимальной плотности зарядов 30 мкКл/м2 увеличение расстояния между наэлектризованными поверхностями на 1см повышает разность потенциалов на десятки киловольт.

Условием накопления зарядов статического электричества является то, что время разрыва контакта (в указанных выше процессах) должно быть меньше времени релаксации (релаксация – переход в равновесное, т.е. неполяризованное, незаряженное состояние). Релаксация сопровождается уменьшением величины накопленного избыточного заряда, поверхностного потенциала, протеканием тока в объеме образца и др. явлениями. Релаксация ускоряется под воздействием факторов окружающей среды – ионизирующих излучений, атмосферной влажности, пыли, механических напряжений и деформаций и др.

Время релаксации зарядов τр – время уменьшения заряда в е раз (примерно в 2,7 раза).

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

Если контактирующие среды имеют свободные носители зарядов (т.е. электропроводны), то время релаксации будет мало и возникающий электростатический заряд мгновенно рассеивается, и электризации не происходит. В другом случае, когда одна из сред не электропроводна, на ней начинают накапливаться электростатические заряды, и при определённых условиях может возникнуть искровой разряд. Для большинства диэлектрических жидкостей, полимерных материаловр 104-108с. При этом в окружающем воздушном пространстве создаётся напряжённость электрического поля порядка 106 В/м, соответствующая электрической прочности воздуха [2].

Для оценки токопроводящих свойств материалов служит удельное объемное сопротивление ρv, Ом·м. Если ρv>105 Ом·м, то материал считается диэлектриком.

Для оценки возможности накопления на перерабатываемых материалах опасных электростатических зарядов и токопроводящих свойств окружающей среды служит относительная диэлектрическая проницаемость среды – ε (величина ε – отвлеченное число, которое

6

показывает во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме).

Экспериментально установлено, что положительные заряды скапливаются на поверхности того из двух соприкасающихся (трущихся) веществ, диэлектрическая проницаемость которого выше. Если соприкасающиеся вещества имеют одинаковую диэлектрическую проницаемость, то электрические заряды не возникают. Поэтому, например, в чистом виде пары и газы не электризуются. Однако при истечении из аппаратов или баллонов газ может электризоваться, что объясняется присутствием в нем твердых или жидких примесей или продуктов конденсации. Поэтому следует всегда считаться с возможностью электризации газа в таких случаях, так как в стальных трубах или баллонах, аппаратах практически всегда может образовываться ржавчина, а в газе могут появляться кристаллики твердой двуокиси углерода или капли конденсата.

Ионизирующая способность среды тем больше, чем больше диэлектрическая проницаемость. Для воздуха диэлектрическая проницаемость ε принимается равной единице (точнее 1,000585 при температуре 0°С и давлении 760 мм рт. ст.). Значение ε у полярных серо- , азот- и кислородсодержащих органических соединений, а тем более у воды, намного выше, чем у углеводородов, с которыми они могут находиться в смеси. Вот почему даже микропримеси кислород-, серо- и азотсодержащих органических соединений в топливах, а также воды и, конечно, минеральные примеси являются причиной образования и накопления опасных количеств статического электричества.

Для большинства твёрдых или жидких диэлектриков относительная диэлектрическая проницаемость лежит в диапазоне от 2 до 8 (для статического поля). Диэлектрическая постоянная воды в статическом поле достаточно высока – около 80.

Идеальных диэлектриков, совершенно не проводящих электрический ток в природе не существует. В процессах электризации могут участвовать и также сами электризоваться проводниковые и полупроводниковые материалы.

Особенности электризации твердых, сыпучих и жидких диэлектриков

В современном промышленном производстве, связанном с изготовлением, обработкой и транспортированием диспергированных материалов, широко применяются такие технологические операции, как

7

просев, сушка в кипящем слое и т.п. В этих процессах сыпучие материалы, обладающие низкой электропроводностью, способны сильно электризоваться, что в ряде случаев может нарушать ход технологических операций, например в результате налипания материала на стенки оборудования, а при определенных условиях создает угрозу возникновения взрыва и пожара за счет разрядов статического электричества. Следует иметь в виду, что во взвешенном состоянии легко горят и воспламеняются такие на первый взгляд безопасные вещества, как мука, сахарная пудра и т.п.

Электризация отдельных частиц диспергированных материалов происходит при их соударении между собой и со стенками технологических аппаратов. При этом величина заряда статического электричества, приобретаемого частицами, зависит от их дисперсности, электропроводности, электропроводности стенок аппарата, влажности окружающего воздуха, интенсивности взаимодействия частиц, площади контакта при соударении. Чем меньше частицы, ниже электропроводность частиц стенок аппарата, меньше относительная влажность воздуха, интенсивнее взаимодействие и больше площади контакта при соударениях частиц между собой и со стенками аппарата, тем интенсивнее электризация. При соударениях со стенкой, например при пневмотранспортировке по металлическим, стеклянным или пластмассовым трубам, частица может приобретать или отдавать электрический заряд. В ходе витания по трубопроводу в процессе соударений заряд частицы может возрастать. Электризация твердых тел становится заметной, если удельное электрическое сопротивление материала превышает 105 Ом·м.

Движение диэлектрических жидкостей вдоль твердой поверхности, например по трубам, в определенных условиях также может сопровождаться интенсивной электризацией. Если удельное электрическое сопротивление жидкости превышает 1010 Ом·м, электризация легковоспламеняющихся жидкостей создает опасность воспламенения их паров от разрядов статического электричества.

Механизм электризации жидкости, движущейся по трубе, объясняется механическим разрушением двойного электрического слоя, возникающего на границе с твердой фазой. Любая диэлектрическая жидкость, каким бы высоким удельным сопротивлением она ни обладала и как бы хорошо ни была очищена, всегда содержит в себе определенное количество носителей электрического заряда в виде ионов. На границе раздела жидкой и твердой фазы происходит образование двойного

8

электрического слоя. Упрощенная картина распределения зарядов в пограничной зоне представлена на рис. 2.

Рис. 2. Электризация жидкости, прокачиваемой по трубопроводу со скоростью V (1-трубопровод; 2-приемный резервуар; 3-жидкость)

При этом заряды одного знака, оседающие на поверхности твердой стенки, нейтрализуются, а заряды противоположного знака находятся в объеме жидкости и могут увлекаться потоком. Таким образом, при закачке жидкости по трубам в резервуар заряды, находящиеся в объеме, вместе с жидкостью попадают в приемный резервуар. Плотность заряда статического электричества прокачиваемой по трубопроводу жидкости тем выше, чем меньше электропроводность жидкости, выше скорость прокачки по трубопроводу и больше поверхность контакта с твердой фазой.

Особенно интенсивно электризуются жидкости при их фильтрации. Поверхность фильтра развита сильно, а, следовательно, велика и площадь контакта жидкости с твердым телом. Чем тоньше фильтрация, тем сильнее электризуется жидкость. В фильтрах тонкой очистки диэлектрические жидкости электризуются в несколько раз более интенсивно, чем в трубопроводах, поэтому фильтры принято считать основными генераторами статического электричества в жидкости.

Электризация жидкости является весьма нежелательным явлением, особенно если жидкость легковоспламеняющаяся. При движении по трубопроводу через фильтры и другое технологическое

9

оборудование электризация легковоспламеняющихся жидкостей никакой опасности не создает, если все емкости герметизированы, полностью заполнены жидкостью и все оборудование заземлено. Опасность возникновения взрывов и пожаров от разрядов статического электричества возникает лишь при заполнении резервуаров, когда над поверхностью жидкости находится легковоспламеняющаяся паровоздушная смесь, а заряды статического электричества создают сильное электрическое поле, что может вызвать возникновение искры и как следствие воспламенение паров жидкости [1].

Показатели, характеризующие электростатическую искроопасность объекта защиты

Электростатическую искроопасность объекта защиты определяют следующие показатели:

электростатические свойства материалов – удельное объемное электрическое сопротивление, удельное поверхностное электрическое сопротивление, относительная диэлектрическая проницаемость и постоянная времени релаксации электрических зарядов;

геометрические параметры – расположение, объемного и поверхностного электрического заряда относительно заземленных электропроводных поверхностей; конфигурация (форма, толщина) покрытий, пленок или непроводящих стенок, являющихся составными частями объекта защиты;

динамические характеристики процессов – скорость относительного перемещения находящихся в контакте тел, слоев жидкости или сыпучих материалов; взаимное давление находящихся в контакте тел; интенсивность диспергирования и скорость деформации твердых тел;

параметры, характеризующие окружающую среду –

температура, давление, влажность, содержание аэрозолей или пыли, окислителей, горючих, тушащих или инертных веществ.

Чувствительность объекта защиты к зажигающему воздействию разрядов статического электричества определяется минимальной энергией зажигания веществ и материалов Wmin.

Минимальная энергия зажигания – наименьшая энергия электрического разряда, способная воспламенить наиболее легко воспламеняющуюся смесь горючего вещества с воздухом.

10