谨慎处理易燃液体

灌装在飞溅充填时真的危险吗?

作者:Anders Thulin,Sylvia & Günter Lüttgens 文章来源:PROCESS《流程工业》 发布时间:2018-08-08
处理易燃液体时的基本原则就是,在任何情况下都要避免自由射流,否则就会导致静电,带来破坏性的爆炸。看似危言耸听,但到底有多少合理的成分?

在化学工业领域中,每天有成千上万的液罐和容器充满了液体,所灌装的液体大多数都是经管道灌入容器中的,而这些管子都距容器底部有一段距离。因此,灌装到容器内的液体都是按照自由射流的方式与容器底部或者与容器中液体的表面相互碰撞。人们一直认为这样会在容器中产生静电电荷,可能点燃容器中的可燃气体和可燃蒸汽。

高度5 m,直径2 mm的不同液体自由落体降落实验

高度5 m,直径2 mm的不同液体自由落体降落实验

迄今为止,我们对自由射流导致静电荷增加的认知知之甚少。有些科学家认为,勒纳德效应——极性液滴爆裂时带有静电荷,可以成为一种火源。其他一些专家则认为,下落的水滴在与空气分子摩擦时也会造成静电危害。

带电液滴从滴落器(D)经管道1~4落入容器(5)中的实验设备图。该图显示了检测到的、超过了理论值的电荷量,随着速度的加快,检测到的峰值间隔变窄

带电液滴从滴落器(D)经管道1~4落入容器(5)中的实验设备图。该图显示了检测到的、超过了理论值的电荷量,随着速度的加快,检测到的峰值间隔变窄

如果想要探个究竟,就必须要有足够的理论知识。一般认为,静电荷是摩擦产生的现象,但实际上,静电荷是有原来相互接触的物体分离时而产生的现象,而且相互接触的物体中至少有一个是电绝缘的。由于静电荷出现在相互接触物资的边界处,因此界面就是一个必要条件。除气体外,固体和液体都有天然的界面,因此静电荷只能在固体-固体,固体-液体和液体-液体的界面时出现,不能出现在气体与液体或者固体之间。

法国Poiteier市的实验设备

法国Poiteier市的实验设备

这似乎与液体也会有静电荷充电的事实相互矛盾,例如在空气中喷雾时。所以理论的真相是,无论液体与周围的空气怎样摩擦,喷射的液体都会与空气摩擦而被分裂开来,从而带有静电荷电。

放电的踪迹

但科学不是一个信仰问题,必须通过合适的实验证明无误的事实。2015年,在法国的普瓦捷大学举行了这样的实验。不同液体直径2 mm的液滴从5 m高的高度上自由下落,在4根落水管中,带有特定静电荷的液滴从滴液器中释放出来,滴落到专门收集液滴的金属容器中。整套装置都套在一个接地的大直径管子中。这种检测方法的检测原理是电气感应,可以验证极低量级的电荷(皮库仑级范围),经静电放大机放大并显示在计算机上。各个液滴检测到的静电数据都绘制成曲线,以便于理论曲线进行比较。液滴充电的评判标准是安培振幅特性曲线,它对极小充电情况下偏差的容忍度很小。值得注意的是,安培振幅的峰值随着下落速度的加快而变得更窄。

除此以外,还进行了液滴的电荷电平实验:通过第1个圆柱管和第2个、第3个和第4个圆柱管时,以及撞击底部容器时液滴的电荷水平几乎是相同的。在这一过程中只出现了非常微小的电荷负载变化(可能是因为液滴蒸发),其中微小的变化几乎不能被静电计检测到。原则上,在液滴的整个降落过程中,只要液滴的形状没有发生变化就几乎检测不

到液滴电荷的变化。另外,实验还发现,在滴落过程中分解为多个更小液滴时,液滴的电荷状态出现了变化。这一发现与“勒纳德效应”的认识是一致,即水滴飞散时会产生负离子,细微的水滴带正电,周围的空气带负电。
现在已证明液滴在与空气摩擦时会带电的假设是不成立的,在封闭的液体射流情况下也是如此。但在微升级范围内得出的实验结果,在大体积量时不一定同样成立。因为在以升为单位的“升级”范围内,流出来的易燃液体是否会导致危险的静电点火危害尚不明确,单一的液滴是一回事,大量的液体自由狭路又是另外一回事。

缺少的环节

研究发现,在大量液体自由落体下落时,液滴的电荷测量就不再合适了。令人感兴趣的问题是,是否会产生电荷,以及所产生的气体放电是否有能力点燃液体。因此,这里具有决定性意义的是所需的能量——最小点火能MZE。在IEC标准IEC 60079-32-1“爆炸性气体环境第32-1部分:静电危害”的表C2中给出了可燃液体的MZE最大值和最小点火电荷值MZQ。只有在最小点火能MZE和最小点火电荷MZQ的组合达到一定程度时,自由落体的液体才会带来一定的危险。

至此,还需要确定气体放电时电荷转移所需的高度。在气体放电时,一旦达到点燃所需的等离子浓度时,混合气就会发出能够被相应天线接收到的高频信号,这样的放电以及在老式无线电接收机中能够听到的爆音对确定高度是有帮助的。为了采集这种信号,将示波器与专用天线连接在一起构成接收机,进行实验。带电塑料表面的电晕放电实验表明:环形天线是这一实验最合适的接收天线。实际实验时使用了两个有着不同特性的接收天线,以保障实验结果的可靠性。检测时使用的是不锈钢容器(高3.56 m、直径2.08 m)。
紧靠容器的底部安装了测量水量的库仑计,已经带有静电电荷的被测物体被降到测量电极上。检测到的数值由示波器按照天线接收到的信号显示出它们的相关性。

大型实验设备中的环形天线在液滴自由下落的任何时刻都在放电

大型实验设备中的环形天线在液滴自由下落的任何时刻都在放电

盛放被释放液体的金属容器用绳子悬挂着放入大型实验设备中,这就能够让被测液体在不同的高度按照自由落体的方式从金属容器中释放出来。实验时,首先在大约10 kV电压下对盛放导电液体的小型金属容器中液体的放电情况进行测试。小型金属容器中的液体在高度3.5 m处释放出来,经环形天线落到下方的接水器中。在带电液体容积为1  L和10 L时都发生了剧烈的放电,比检测系统检测灵敏度上限、也就是1nC高出大约50倍的强烈
放电。

实验时使用了3种不同的液体介质:一种是低导电性(变压器油)、一种是高导电性(自来水)和一种中等导电性的(柴油)。在液体容积从1L~10L的90次实验中,自由落体式的流出时都没有发生可测量到的放电。因此得出结论:无论液体的电导率如何,在自由落体3.5 m高度时的放电低于1 pC。

完整的循环

通过实验可以确定IEC 60079-32-1标准表C2的数据和结论是非常准确的,以升为单位的液体在自由落体降落过程中不会造成静电火花危险。但带静电的介质可以通过自由落体运动带来静电危害,这可能是导致液体“碎片”,就像以前的实验所验证的那样。因此,在化工工业领域中要对过滤、泵以及管道能够带来的静电电荷过程给予高度关注。从实验中还可以得出推论:如果液体的容积达到10 L,在它们原来没有带电的情况下,也不会在落差高度3 m的自由落体流动时得电,没有点火危险。但要注意容器要由导电材料制造,并可靠接地。

至此,毫升级和升级液体自由落体流动时的静电电荷研究就全部结束了。因为目前尚不能制造这么大规模的实验设备,计划的百升容积的静电电荷实验也将在今后进行。

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