Тема 1.4 Сооружения для выдачи нефтепродуктов

1.4.7 Определение, основы теории электризации жидких сред, факторы, влияющие на интенсивность электризации топлив. Опасность образования статического электричества.

 

План:

1. Определение, основы теории электризации жидких сред, факторы, влияющие на интенсивность электризации топлив.

2. Опасность образования статического электричества.

 

1. Электризация- совокупность явлений, связанных с возникновением, сохранением и релаксацией свободного электрического заряда на поверхности и в обьеме диэлектрических и полупроводниковых веществ, материалов, изделий или на изолированных, в том числе диспергированных в электрической среде проводниках.

Статическое электричество образуется как в движущейся диэлектрической жидкости, так и в неподвижной. В движущейся жидкости заряды статического электричества возникают:

-при трении жидкости о твердую поверхность трубопровода, стенки резервуаров и развитую поверхность фильтрующих элементов;

-при трении частиц жидкости разной плотности между собой;

-при движении жидкости через другие жидкости;

-при движении капель мелкораспыленной жидкости через воздух или паровоздушную смесь;

В неподвижной жидкости заряды статического электричества возникают:

- при осаждении из жидкости твердых взвешенных частиц и примесей;

-при осаждении из жидкости мелкодисперсных капель воды и других качественных веществ, а также пузырьков воздуха, паров легких углеродов;

-при прохождении через паровоздушное пространство над поверхностью жидкости капель воды, дождя, снежинок и т.п.

Теория электризации жидкости связана с существованием двойного электрического слоя на границе раздела твердой и жидкой фаз.

Двойной электрический слой – пространственное распределение электрических зарядов разных знаков на границе соприкосновения фаз. Этот слой состоит из тонкого слоя ионов одного знака, связанных «неподвижно» со стенной трубы (слой Гельмгольца) и диффузионного слоя ионов противоположного знака (слой ГУИ).

Слой Гельмгольца тонок и составляет 10^{-6 м, а толщина слоя ГУИ и концентрация ионов в нем определяются электрическим взаимодействием, хаотическим и тепловым движением и диффузией ионов от стенки в массу. При движении жидкости относительно твердой стенки трубы, ионы, находящиеся в слое ГУИ, будут уноситься потоком жидкости и накаливаться в емкостях, создавая разницу потенциалов Vзар. Между трубой и емкостью. Чем больше толщина двойного слоя, тем больший заряд уносится потоком жидкости при одной и той же скорости. Пристеночный ток образуется благодаря окислительно-восстановительным реакциям на стенках труб.}

Интенсивность электризации авиационных топлив и спец. жидкостей зависит от скорости движения (перекачки) жидкости, ее проводимости, шероховатости трубопровода, площади контакта, наличия в жидкости твердых частиц, воды, воздуха и других факторов. Экспериментальные исследования показали, что чистые жидкости, у которых удельная объёмная производимость составляет σv=  см/м, электризуются очень слабо. С ростом проводимости жидкости ток электризации растет при постоянной скорости ее движения, затем проходит через наибольшее значение, после чего уменьшается, достигая нулевых значений при σv=  ссм/м.

Увеличение тока электризации с ростом проводимости жидкости объясняется ростом концентрации ионов в ней, поэтому увеличение ее проводимости в некотором диапазоне ведет к увеличению тока электризации. Но с другой стороны, увеличение проводимости жидкости приводит к уменьшению толщины двойного слоя, а следовательно и к снижению тока электризации, который при проводимости  см/м практически равен нулю.

 

Зависимость тока электризации Y от удельной объемной проводимости жидкости σv при разных скоростях движения.

1. σ = 10,9 м/с

2.σ = 3,36 м/с

3.σ = 1,5 м/с

Величины удельного объемного электрического сопротивления некоторых жидкостей:

№ п/п	Жидкости	Ρ, ом*м
1	Ацетон	7.0*  при t=-15С
2	Бензины
3	Бензал технический
4	Гептан технический
5	Глицерин	1.5*  при t=+25C
6	Дизельное топливо	1.8* -3.8*
7	Дихлорэтан	3.5* при t=+25C
8	Керосин	9* -7.3*
9	Ксилол (смесь изомеров)	-
10	Метанол	6,2*  при t= 25 C
11	Пинен
12	Скипидар	*
13	Сольвент – нафта	0,12* -1,0*
14	Тетрагидрофуран	1.2*  при t=+35 С
15	ТопливоТС-1 очищенное	1* -6*
16	Трихлорэтилен технический	3*
17	Уайт – спирит	5* -7*
18	Cl4	-
19	Этиленгликоль	3,3*10⁴-5,9*10⁴ при t=25 С
20	Этанол	7,7*10⁶ при t=25 C
21	Этилцеллозольв	6,8*10⁵ при t=28 C

 

Ток электризации растет также и с увеличением скорости движения жидкости. Если она увеличивается, то наибольшее значение тока электризации возникает при большей ее проводимости. Это свидетельствует о том, что скорость движения в значительной мере определяет степень электризации жидкости.

Шероховатость стенок трубопровода увеличивает электризацию в 1,5-5 раз. Еще более сильная электризация (в 10-200 раз большая, чем в трубопроводах) возникает в авиационных топливных фильтрах, которые по конструкции имеют наиболее развитую поверхность. Оно особенно сильна в многократно использованных фильтрах вследствие того, что на их элементах адсорбированы примеси топлив. Это увеличивает поверхность контакта жидкости при ее движении через фильтр. По этим же причинам интенсивная электризация возникает при движении жидкостей в насосах, расходомерах, дозаторах, задвижках, клапанах.

Электризация возрастает в 1,8-4 раза при смешении топлива с азотом и зависит от количества азота, который нагнетается в топливо. Усиление электризации наблюдается в жидкостях, которые содержат мелкодисперсные примеси, частицы окалины, воду, воздух. Ток электризации возрастает до тех пор, пока напряженность поля в резервуаре или трубопроводе не достигнет электрической прочности н/п и в ней не произойдет искровой разряд, приводящий к взрывам и пожарам.

 

2. Опасность образования статического электричества.

С внедрением во все отрасли хозяйства диэлектрических материалов с большой остротой встала проблема защиты от вредных и опасных проявлений статического электричества и в первую очередь от наиболее опасных-взрывов, пожаров из-за разрядов статического электричества.

Авиационные топлива и спец. жидкости обладают способностью электризоваться, накапливать и сохранять электрический заряд. И если при этом над поверхностью жидкости образуется взрывоопасная смесь, то разряд статического электричества способен вызвать пожар или взрыв в резервуаре. Пожары, причиной которых являются разряды статического электричества, наблюдаются при самых разнообразных механических процессах с диэлектрическими жидкостями.

Взрывы и пожары возникают при наливе танков наливных судов, при скоростной заправке самолетов и ТЗ авиационными топливами. Это происходит, как правило, вскоре после начала заправки или налива. Наиболее часто взрывы и пожары возникают при заполнении автоцистерн. По статистике нефтяного института США- 71% аварий, причиной которых был разряд статического электричества, произошел при наполнении и сливе автоцистерн. Известны случаи, когда взрыв происходил при появлении в потоке н/п воздуха или воды (при заполнении резервуара керосином взрыв возник тогда, когда начался подсос воздуха в поток керосина). Наличие воды в топливах способствует более интенсивному образованию статического электричества при перемешивании авиационного топлива, содержащего воду, вызвал взрыв.

Повышенная электризация жидкости возникает при равномерном распределении воды в мелкодисперсном состоянии и последующем ее оседании, причем чем меньше капельки воды, тем дольше процесс ее оседания. Этим объясняется взрывы резервуаров с авиационным топливом примерно через 40 минут после перемешивания в них топлива. Очень сильно электризуются авиационные топлива при фильтрации, истечении через щели, разбрызгивания (мойка двигателей бензином с помощью распылителя) и кавитации.

Пожары и взрывы возникают и при наполнении н/п стеклянных бутылей, ведер через металлическую сетку.

Воспламенение горючих смесей может происходить в металлических емкостях (ведрах, бидонах, бочках), находящихся на токопроводящих телах,от разряда статического электричества с тела человека, одежды на заземленную металлическую емкость. Например, возник пожар резервуара с горючей жидкостью, из которого рабочий намеревался отобрать пробу, используя черпак. Взрывы ЖДЦ, из которых сливали бензин наблюдались при опускании через верхний люк в них полиэтиленовых или резиновых шлангов и при вытаскивании их после слива. При применении заземленных металлических наконечников (труб) взрывы не происходили.

Заряды статического электричества интенсивно образуются при перекачке ГСМ по металлическим и резино-тканевым трубопроводам, смешивании топив и спец. жидкостей, наполнении автоцистерн через верх свободно-падающей струей, переливании из одного сосуда в другой, а также при перевозке топлива в цистернах, когда она болтается. Воспламенение бензина может произойти при стирке в нем спецодежды из-за разряда статического электричества между жидкостью и тканью, что приводит иногда к тяжелым ожогам и травмам. Случаи искрообразования наблюдались при мытье рук в авиатопливах, а также при вытаскивании воронки из емкости, куда наливался бензин, дизельное топливо и другие н/п. Все это свидетельствует о том, что статическое электричество представляет чрезвычайно большую опасность, если не сохранять мер устраняющих возможность его накопления и разряда.

Разряд статического электричества является источником воспламенения только при следующих условиях:

- Наличия источника образования статических зарядов жидкости с низкой проводимостью движущихся по трубопроводам или хранящихся в резервуарах и емкостях

- Накопление зарядов на технологическом оборудовании до напряжений, при которых происходит искровой разряд

- Существование горючей среды в местах возможного разряда статического электричества

Способы защиты опасных проявлений искровых разрядов статического электричества состоят в ликвидации хотя бы одного из внешних названных условий

Электростатическая безопасность (ЭСИБ) – состояние объекта, при которой исключается возможность взрыва и пожара от статического электричества. Она обеспечивается устранением разрядов статического электричества (С.Э), которые могут стать источником зажигания огнеопасных веществ, газовых смесей, паров. Все производственные процессы и оборудование по ЭСИБ в зависимости от характера и условий возникновения разрядов СЭ и по характеристикам огнеопасных веществ и материалов распределяются на 3 класса:

- Безыскровый электризации;

- Слабой электризации;

- Сильной электризации

Для определения класса объекта по ЭСИБ установлены основные показатели. К этим показателям относится:

-Электростатические свойства материалов –удельное объемное электрическое сопротивление или удельная объемная электропроводимость;

- удельное поверхностное электрическое сопротивление или удельная поверхностная электропроводимость, постоянная времени релаксации (время в истечении, которого заряд статического электричества умещается в “e” раз);

-относительная диэлектрическая проницаемость;

-электропрочностные свойства материалов напряжения, электрическая прочность, плотность электрического заряда относительно заземленных электропроводных поверхностей, конфигурации и форма объекта, толщина покрытий, пленок или неметаллических стенок, например, покрытия емкостей и резервуаров;

- электростатические нагрузки, возникающие в процессах электризации;

-чувствительность к зажигающему или инициирующему взрыв воздействию разрядов с э-минимальные энергии зажигания, заряд зажигания, линейка плотность энергии зажигания.

К классу ЭСИБ безыскровой электризации относятся процессы и объекты с заземленным электропроводящим оборудованием, в которых применяются вещества и материалы с удельным объемным эл-ким сопротивлением не более 10⁵ Ом*м и отсутствуют разбрызгивание и распыление веществ. На складах ГСМ – это оборудование систем сигнализации, управления технологическими процессами и пожаротушения.

К классу ЭСИБ слабой электризации относятся процессы и объекты с заземленным электропроводящим оборудованием, в которых применяются вещества и материалы с удельным электрическим сопротивлением не более 10⁸ Ом*м и отсутствуют процессы разбрызгивания и распыления веществ. На складах ГСМ к этому классу относится оборудование и технологические процессы, которые связаны с приемом, хранением и отпуском авиатоплив.

К классу ЭСИБ сильной электризации относятся технологические процессы, оборудования (в котором применяются) и объекты с заземленным электропроводным оборудованием, в котором применяются вещества и материалы с удельным электрическим сопротивлением не более 10⁸ Ом*м.

 

Требования класса ЭСИБ слабой электризации контролирующий путем сравнения с допустимыми значениями следующих параметров:

-плотности заряда;

-плотности тока электризации;

-электропроводности материала;

-длительности операций и временного интервала между операциями;

-геометрических характеристик по ГОСТ 12.1.018

Соблюдение перечисленных требований обеспечивает безопасность работы с пожароопасными веществами с минимальной энергией зажигания не менее 10^-4 Дж.

Зажигающая способность – это свойство источника зажигания, проявляющееся в зажигании или инициировании взрыва вещества, материалов или конденсированных систем. Снижение зажигающей способности разряда СЭ обеспечивается благодаря применению антистатических средств, нейтрализаторов и релаксационных емкостей, регламентированию параметров производственных процессов (ограничение скорости заправки, перекачки, наполнения ТЗ).

Минимальная энергия зажигателя- это наименьшее значение энергии электрического заряда, способного воспламенять наиболее легко воспламеняющуюся смесь газа, пара или пыли с воздухом.

Линейной плотностью энергии зажигания называют отношение энергии, выделяемой в накале разряда к длине разрядного промежутка.

Исследования показали, что на воспламенение горючей смеси искровым разрядом затрачивается меньше тепла, чем при воспламенении от других источников. Разряд- самый экономичный из всех источников воспламенения по затрачиваемой энергии на зажигание, поэтому он является самым опасным из источников возникновения пожаров и взрывов.

Безопасность искрового разряда статического электричества в горючей среде может быть достигнута при условии

W_L≤ 0,4 W_{L min}

Где W_L – линейная плотность энергии зажигания искрового разряда СЭ заряженного предмета, Дж/м;

W_{L min} – минимальная линейная плотность энергии зажигания для воспламенения горячей смеси которая зависит от свойств горючей жидкости и характеризуют ее способность к воспламенению, Дж/м.

Под влиянием сильного электрического поля ха счет ионизационных процессов у поверхности разрядных электродов возникают дополнительные носители электрического заряда обоих знаков, повышая электропроводимость топлива. За счет электрических сил и сил механического движения заряды топлива стекают на электроды и стенки камеры, а возникающие возле электродов заряды противоположного знака движутся в обратном направлении и выносятся из камеры нейтрализатора.

Эффективность работы по Kэ %

Kэ = *100%, работа удовлетворительная если при ⍴_вых ≥ 200 мк K1/м³, Кэ ≥ 75%

Интенсивность электризации авиационных топлив и спец. жидкостей зависит от скорости движения жидкости, ее проводимости, шероховатости трубопровода, площади контакта, наличия в жидкости твердых частиц, воды, воздуха и других факторов.

Шероховатость стенок трубопровода увеличивает электризацию жидкостей в 1,5-5 раз. Электризация в авиационных топливных фильтрах в 10-200 раз большая, чем в трубопроводах. Она наиболее сильна в многократно использованных фильтрах вследствие того, что на их элементах адсорбированы примеси топлив. Ток электризации нарастает до тех пор, пока напряженность поля в резервуаре или трубопроводе не достигнет электрической прочности нефтепродукта или паровоздушной смеси и в ней не произойдет искровой разряд, приводящий к взрывам, пожарам. Наиболее часто взрывы и пожары возникают при наполнении автоцистерн.