CC BY
102
К ВОПРОСУ О ВОЗНИКНОВЕНИИ СТАТИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА В ЖИДКОСТЯХ
Титова Е.С., старший преподаватель, к.х.н.
Сырбу А.А., начальник кафедры, к.т.н., доцент Кропотова Н.А., преподаватель, к.х.н.
Ганичев И.С.,
Ивановский институт ГПС МЧС России, г. Иваново
Некоторые физические явления, известные человечеству из очень давних пор, в данное время являются менее всего изученными, как например статическая электризация, первые упоминания о которой отмечены в Фалеса Милетского около 2500 лет назад. Долгое время существовала мысль о бесперспективности практического применения этого явления, что надолго отстранило к нему интерес исследователей.
Как известно, электризация диэлектрических жидкостей связана с появлением двойных электрических слоев на поверхностях раздела двух жидких сред, или на границах деления жидкость - твёрдое тело при этом создается разность потенциалов, и электроны переходят от одного материала к другому (рис. 1а,б). Величина образовавшегося напряжения
зависит от расстояния между материалами после разделения и находится в диапазоне от 10-6 до 104 В. Чем больше различаются диэлектрические свойства
материалов, тем интенсивнее происходит разделение и накопление зарядов (рис. 1в).
Возникновение статического электричества может привести к накоплению очень большого заряда и в конце концов к разряду в виде искры, что в пожароопасной и тем более во взрывоопасной среде может быть причиной пожара (взрыва), так как для воспламенения взрывоопасной смеси паров ЛВЖ с воздухом достаточно разности потенциалов электростатического заряда в 300500 В.
Одной из причин пожаров на производствах является
возникновение статического электричества в жидкостях.
б)
В)
материал А материал В
® © ©
а) © ©
© © ©
© © ©
© ©
© © е
материал А материал В
материал А материал В
Положительный заряд
Отрицательный заряд
Рис. 1. а) нейтрально сбалансированный заряд; б) переход электронов; в) материалы после электризации
Статическое электричество на нефтебазах и объектах магистральных трубопроводов образуется при следующих процессах:
• При перекачке нефти и нефтепродуктов;
• При протекании нефтей и нефтепродуктов через фильтры;
• При ударе струи жидкости о дно и стенки резервуара;
• При движении любых плоских ремней по шкивам;
• При движении лент транспортеров;
• При движении пыли в воздухе;
• При пропаривании железнодорожных вагонов-цистерн после слива нефтепродуктов.
Электризация жидкостей изучается в связи с воспламенением горючих смесей искровыми разрядами статического электричества. С явлениями электризации сталкиваются при обтекании твердых поверхностей жидкостями с низкой электропроводностью. Наиболее сильно электризация проявляется при высоких скоростях движения двух слоев жидкостей относительно друг друга (либо жидкости при соприкосновении с твердым телом) или развитых поверхностях контакта, т. е. при фильтровании. Эффект электризации в сильной степени зависит от примесей твердых частиц или несмешивающихся жидкостей. Чистые жидкости практически не электризуются. Интересно отметить, что добавка антистатиков уменьшает эффект электризации лишь при некоторой оптимальной концентрации, которая указывает, что эффект заряжения определяется двумя противоположными процессами; разделением зарядов и их рекомбинацией.
Явления, при которых возникновение разности потенциалов или тока является причиной или следствием относительного перемещения жидкости и твердого тела в пограничной области, называются электрокинетическими. Теория этих явлений основывается на представлениях о структуре двойного слоя.
Двойной электрический слой - пространственное распределение электрических зарядов на границе соприкосновения фаз. Обкладки двойного слоя зарядов могут находиться по обе стороны межфазной границы. Такое расположение наблюдается на границах металл - газ, металл - металл, диэлектрик - диэлектрик, жидкость - твердое тело, жидкость - жидкость, жидкость - газ. Двойные слои зарядов такого рода обусловливают контактную разность потенциалов.
В зависимости от особенностей образования двойных электрических слоев различают следующие механизмы заряжения:
1) электролитический;
2) двойные слои возникают в следствие избирательной адсорбции ионов одного знака;
3) электризация обусловлена контактной разностью потенциалов или донорно-акцепторным взаимодействием.
При перекачивании нефтепродуктов по трубам на поверхности металла образуется двойной электрический слой преимущественно по первому механизму заряжения.
Согласно теории Гельмгольца — Перрена, двойной слой на границе твердой фазы и жидкости представляет собой плоский конденсатор. Одна обкладка связана непосредственно с твердой фазой, а другая расположена в жидкости. Однако гидродинамическими исследованиями установлено, что плоскость скольжения при относительном перемещении твердой и жидкой фаз всегда находится на значительно большем расстоянии, чем толщина двойного слоя Гельмгольца — Перрена [1].
Следовательно, если бы эта теория была верна, то не наблюдались бы электрокинетические явления.
Теория Гуи - Чемпена уже лишена этого недостатка авторы учли, что разноименно заряженные ионы не только взаимно притягиваются, но еще участвуют и в хаотическом температурном движении. Поэтому двойной электрический слой оказывается размытым, и о его толщине можно говорить лишь условно. Теория Гуи - Чемпена объясняет зависимость толщины двойного слоя от температуры среды [2], концентрации и валентности ионов, в согласии с гидродинамикой может объяснять электрокинетические явления.
Обобщенные данные теорий образования двойного слоя, показывают
что:
а) двойной слой тонок по сравнению с диаметром трубки, и кривизна стенок не учитывается;
б) если поток турбулентный, то двойной электрический слой тонок по сравнению с ламинарным слоем и увлечение зарядов жидкостной обкладки происходит только в ламинарной зоне;
в) величина тока течения не зависит от длины трубки, причем не принимаются во внимание гидродинамическое влияние входа и влияние токов утечки зарядов жидкости в радиальном направлении;
г) градиент скорости в пределах двойного слоя — величина постоянная.
Список литературы
1. Глебов B.C., Тазеев Г.С. Пожарная безопасность нефтебаз и объектов магистральных трубопровода. Изд.2-е., перераб. и доп.- М.:Недра, 1972.-192с.
2. Попов Б.Г., Веревкин В.Н., Бондарь В.А., Горшков В.И. Статическое электричество в химической промышленности. Под. ред. Б.И. Сажина. - Л.: Химия, 1977. -164 с.
