石油化工靜電安全技術學習教案

1、會計學1石油化工靜電安全石油化工靜電安全(nqun)技術技術第一頁，共239頁。第1頁/共239頁第二頁，共239頁。第2頁/共239頁第三頁，共239頁。第3頁/共239頁第四頁，共239頁。第4頁/共239頁第五頁，共239頁。第5頁/共239頁第六頁，共239頁。第6頁/共239頁第七頁，共239頁。第7頁/共239頁第八頁，共239頁。第8頁/共239頁第九頁，共239頁。第9頁/共239頁第十頁，共239頁。第10頁/共239頁第十一頁，共239頁。1879年亥姆霍茲（Helmholtz）指出(zh ch)，在固體接觸面的兩方，形成等量異號的電荷層，如圖所示，稱為偶電層。第11頁/共

2、239頁第十二頁，共239頁。AB+-第12頁/共239頁第十三頁，共239頁?，F(xiàn)代現(xiàn)代(xindi)靜電學階段：靜電學階段：上世紀二、三十年代，量子上世紀二、三十年代，量子力學的建立，開創(chuàng)了物理學力學的建立，開創(chuàng)了物理學的新紀元。人們對靜電起電的新紀元。人們對靜電起電規(guī)律的認識，也發(fā)生了質(zhì)的規(guī)律的認識，也發(fā)生了質(zhì)的飛躍。偶電層理論得到了進飛躍。偶電層理論得到了進一步的的完善。一步的的完善。Harper1951年根據(jù)金屬勢年根據(jù)金屬勢能井理論，可以定量計算出能井理論，可以定量計算出兩種不同金屬接觸時接觸面兩種不同金屬接觸時接觸面上的面電荷密度（見下述）上的面電荷密度（見下述）。第13頁/共23

3、9頁第十四頁，共239頁。兩種金屬接觸分離(fnl)以后，分別帶上了靜電。這很快得到了實驗證實。 1932年Kullrath將金屬粉末從銅管內(nèi)吹出去，粉末與銅管經(jīng)歷了接觸分離(fnl)過程，使這個對地絕緣的粉末發(fā)生器產(chǎn)生了26萬伏的高電壓。并觀測到，吹鐵粉或銻粉時，起電效果最顯著。第14頁/共239頁第十五頁，共239頁。兩金屬接觸后再分離(fnl)產(chǎn)生的靜電起源于接觸電勢差，這一點是由HarPer1951年證實的。根據(jù)金屬內(nèi)電子的勢能井，很容易計算出接觸面上的面電荷密度：第15頁/共239頁第十六頁，共239頁。第16頁/共239頁第十七頁，共239頁。金屬與半導體接觸，同樣出現(xiàn)偶電層。但已

4、不象兩種金屬那樣對稱，半導體表面電荷已有一部分深入到表面層內(nèi)部(nib)。1971年Krupp根據(jù)金屬半導體接觸面的勢壘理論，計算了接觸面上的表面電荷密度:第17頁/共239頁第十八頁，共239頁。第18頁/共239頁第十九頁，共239頁。如果兩種高分子材料(cilio)相接觸，則面電荷密度 第19頁/共239頁第二十頁，共239頁。第20頁/共239頁第二十一頁，共239頁。第21頁/共239頁第二十二頁，共239頁。（+）石棉玻璃云母(ynm)羊毛貓皮鉛鎘鋅鋁鐵銅鎳銀金鉑（-） 第22頁/共239頁第二十三頁，共239頁。市售常用衣料帶電序列 （）純毛絳綸綢窗簾綢人造棉富春紡麻襯毛腈華達呢

5、毛絳涼爽呢棉白布真絲美麗綢平絨(pn rn)紡毛花呢凡立丁的確良滌卡麻紗滌絲綢花瑤富古羅滌腈花呢喬紗豬尤皮人造苯（）第23頁/共239頁第二十四頁，共239頁。物體上產(chǎn)生了靜電,能否積聚(jj)起來主要取決于電阻率體電阻率表面電阻率靜電導體1106m 1107靜電亞導體1106m 11010m1107 11011m靜電非導體11010m11011m第24頁/共239頁第二十五頁，共239頁。靜電導體難以積聚靜電，而靜電非導體在其上能積聚足夠的靜電而引起各種靜電現(xiàn)象，靜電亞導體介于其中。 一般汽油、苯、乙醚等物質(zhì)的電阻率在10101013m之間，它們?nèi)菀追e聚靜電。 金屬(jnsh)的電阻率很小，

6、電子運動快，所以兩種金屬(jnsh)分離后，顯不出靜電。第25頁/共239頁第二十六頁，共239頁。水是靜電良導體，但當少量的水混雜在絕緣的液體中，因水滴液品相對流動時要產(chǎn)生靜電，反而使液品靜電量增多。 金屬是良導體，但當它被懸空(xunkng)后就和絕緣體一樣，也會帶上靜電。第26頁/共239頁第二十七頁，共239頁。第27頁/共239頁第二十八頁，共239頁。第28頁/共239頁第二十九頁，共239頁。第29頁/共239頁第三十頁，共239頁。第30頁/共239頁第三十一頁，共239頁。第31頁/共239頁第三十二頁，共239頁。固體物質(zhì)在擠出過濾時與管道、過濾器等發(fā)生的磨擦，如塑料、橡膠

7、的擠出等；固體物質(zhì)的粉碎、研磨和攪拌過程第32頁/共239頁第三十三頁，共239頁。第33頁/共239頁第三十四頁，共239頁。 液體的帶電與液體的電阻率（電導率）、液體所含雜質(zhì)、管道(gundo)材料和管道(gundo)內(nèi)壁情況、注液管、容器的幾何形狀、過濾器的規(guī)格與安裝位置、流速和管徑等有關。 第34頁/共239頁第三十五頁，共239頁。重點討論一下固體與液體接觸時的偶電層理論。 亥姆霍茲（Helmholtz）,Perrin,Gouy等人認為：液體與固體之間雖然也出現(xiàn)偶電層，但與兩種金屬固體接觸時的偶電層并不相同。以水在玻璃管內(nèi)流動為例，其偶電層示意圖如圖3-2所示。從圖中可見(kjin)

8、，偶電層中兩層電荷的分布是不相同的。固體表面上的電荷仍緊貼在固體表面，而液體表面的電荷卻呈擴散分布，電荷已滲透到液體內(nèi)部。而且，在液體中，既有正離子，又有負離子，正離子占優(yōu)勢，而整個偶電層體積內(nèi)還是電中性。只是電荷分布不均勻罷了。第35頁/共239頁第三十六頁，共239頁。+ + + +_ _+ + + + + + + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 第36頁/共239頁第三十七頁，共239頁。為了下面討論液體流動(lidng)起電的需要，有必要討論一下液體中的偶電層厚度。假定固體表面吸附的是負離子，液體中是正離子，如下圖所示。很明顯，離界面越近，液體中離子濃度愈

9、大，隨著與界面距離x的增加而逐漸減小，直到某點b才等于液體中離子的平均濃度n()，b點到界面的距離定義為偶電層的厚度，用表示。下面求解的表式，看它與哪些因素關。 第37頁/共239頁第三十八頁，共239頁。第38頁/共239頁第三十九頁，共239頁。 設離界面(jimin)距離為x的地方，單位體積中第i型離子的數(shù)目為ni（x），ni（x）與該點的電勢 有關，用玻爾茲曼方程表示如下： 式中，ni() 遠離界面(jimin)處i型離子的平均濃度第39頁/共239頁第四十頁，共239頁。在 x處的電勢 同時滿足(mnz) Poisson 方程： 第40頁/共239頁第四十一頁，共239頁。由上面(s

10、hng min)3式式可得： 為泊凇一玻爾茲曼方程，它是偶電層理論的基本方程。 第41頁/共239頁第四十二頁，共239頁。用近似解法來求出它的解。將（3-8）式右端指數(shù)(zhsh)按冪級數(shù)展開并取其前兩項得： 因為在遠離界面處是電中性的，因此各種類型離子的電荷總和為0，即 第42頁/共239頁第四十三頁，共239頁。亦即上式右端第一項為零，于是(ysh)（3-9）式變?yōu)椋?式中M2為 第43頁/共239頁第四十四頁，共239頁。方程（3-10）的通解為 利用邊界條件：x時 =0 x0時 =定出積分常數(shù)c1=0,c2= ，于是得出泊凇一玻爾茲曼方程（3-8）式的近似解為： 式中 界面(jimi

11、n)上的電勢 第44頁/共239頁第四十五頁，共239頁。上式表明，偶電層中的電勢在界面處最高，隨著與界面距離的增加而按指數(shù)規(guī)律衰減(shui jin)，衰減(shui jin)的快慢決定于M的值。同時還表明，l/M具有長度的因次，因此稱l/M為偶電層的厚度，并用表示，即 第45頁/共239頁第四十六頁，共239頁。如果液體中只有一種正離子(lz)和一種負離子(lz)，且設他們的離子(lz)價相等；在遠離界面處，由于電中性，兩種離子(lz)的平均濃度亦相等，則可寫為： 由此可知，偶電層的厚度不僅與溫度與介電常數(shù)有關，還與離子價和離子均勻分布狀態(tài)下的平均(pngjn)濃度n有關。一定的液體在一定

12、溫度下，離子的濃度越大，偶電層的厚度愈薄，反之亦然。第46頁/共239頁第四十七頁，共239頁。 必須指出，上述提到(t do)的偶電層整體是電中性，是指固體與液體相對靜止而言的。但是，如果二者作相對運動，比如油品在管道中流動時，電中性就會受到破壞，偶電層中兩層電荷被分離，這時就會出現(xiàn)靜電起電現(xiàn)象。第47頁/共239頁第四十八頁，共239頁。實驗發(fā)現(xiàn)，當固體與液體作相對運動時，滑動不是直接發(fā)生在固體表面，而是在液體內(nèi)部距固體表面有一距離d處的AB面上發(fā)生，如圖3-4所示。AB面叫做滑動面?；瑒用媾c界面的距離d長約為一個分子大小?；瑒用娴拇嬖?，表明了吸附在固體表面上的離子與滑動面內(nèi)的那些液體中離

13、子（指圖中虛線左邊的那些正離子）緊密地結合成了一個整體。因此，滑動面內(nèi)的那些液中離子與緊貼在固體表面上的離子一樣是不隨液體流動而帶走的。習慣上常把整個這一部分（即滑動面左邊的全部）叫固定層或吸附層。另一部分（滑動面右邊部分）叫活動層或擴散層。固定層與擴散層之間的電勢差就是所謂(suwi)的電動電勢（又叫電勢），而固液界面處的電勢 為總電勢。顯然這是兩種不同的電勢。電勢取決于固定層內(nèi)正負離子電荷的代數(shù)和（即固體表面上吸附的離子與滑動面內(nèi)的液中離子之差），而總電勢決定于固體表面上所吸附的離子量。第48頁/共239頁第四十九頁，共239頁。第49頁/共239頁第五十頁，共239頁。第50頁/共239

14、頁第五十一頁，共239頁。根據(jù)(gnj)上式可求得偶電層兩邊的電勢差（電勢）為： 由于d遠小于毛細管的半徑r，所以可以看成平行(pngxng)偶電平面，相當于一個平板電容器，可知偶電層間的電場為 第51頁/共239頁第五十二頁，共239頁。當沿著毛細管軸向加一個外電場E。時，在擴散(kusn)電荷層上（圖中的正電荷層）每單位面積作用的靜電力為 此力推動擴散(kusn)層的離子移動，移動時帶動液體。另外，液體運動時還受到粘滯阻力作用，根據(jù)牛頓公式，單位面積上所受的粘滯阻力 第52頁/共239頁第五十三頁，共239頁。因為d很小，在一段很小的距離d內(nèi)速度由零變到u，因此，可用速度隨距離變化的平均變

15、化率u/d來代替(dit)du/dr，于是 在穩(wěn)定流動時，靜電力與粘滯力平衡，即 第53頁/共239頁第五十四頁，共239頁。消去便得到電滲速度 從上式中可以看出，電滲速度與電勢有關(yugun)，它指出了測量電勢的方法。已知液體和外電場時,0，r，E0均已知，只要測出電滲速度，便可從（3-18）求出電勢第54頁/共239頁第五十五頁，共239頁。通常(tngchng)工程技術上不是測u值，而是測量單位時間里從毛細管流出來的液體體積V。如果毛細管內(nèi)半徑為 r，截面積則為 r2，單位時間內(nèi)通過毛細管的液體體積V=r2u，將此代入，得： 測出了V，即可求出。第55頁/共239頁第五十六頁，共239

16、頁。若讓液體流動時，使一邊液面上升，另一邊下降則兩邊形成壓力差P，在P的作用下液體發(fā)生倒流。根據(jù)泊氏滯流公式 式中l(wèi)為管長。當電滲流動與壓差流動平衡時，壓差P達到最大值。從（3-19）、（3-20）式可得到： 上式指出，測出穩(wěn)定時兩水面間水壓力差P，亦可算出。這里給出一個計算實例：當水通過r=3.710-4m的玻璃毛細管時，求得P/E0l為2.02610-8 N/Vm2，水的相對介電常數(shù)r=80，從而(cng r)求得=-0.049V。負號表示玻璃帶負電。第56頁/共239頁第五十七頁，共239頁。沖流電流(dinli)與沖流電壓路中的液體在其接觸面處產(chǎn)生偶電層，當液體兩端存在壓強差P時，液體

17、將從一端流向另一端。液體流動帶走擴散層的電荷，在管路內(nèi)形成沖流電流（Streaming current），記為Is，有時又稱流動電流。由于Is的存在，使管路一端有較多的正電荷，另一端有較多的負電荷，于是在管路兩端產(chǎn)生電勢差，叫做沖流電壓（又叫流動電壓），記為U。如果管路兩端的總電阻為R，在沖方向相反的歐姆電流 U/R。若管路是絕緣的，當沖流電流與歐姆電流相等(xingdng)時，達到平衡，這時沖流電壓達到穩(wěn)定。第57頁/共239頁第五十八頁，共239頁。第58頁/共239頁第五十九頁，共239頁。下面推導一下沖流電流的表達式。在推導中，我們使用下述假設： （1）偶電層的厚度遠小于管的內(nèi)半徑，即

18、d，所以(r-d)2r2-2rd，故 第60頁/共239頁第六十一頁，共239頁。該擴散層單位面積上的電量(dinling)為，則在單位時間里液體從擴散層上沖刷下來的電量(dinling)即沖流電流為 根據(jù)第1和第4點假設，偶電層相當于一個平板電容器，因此電勢與面電荷密度之間的關系為： dEDr0第61頁/共239頁第六十二頁，共239頁。根據(jù) Poiseuille定律，片流狀態(tài)(zhungti)下cf與Re滿足 則片流狀態(tài)(zhungti)下的沖流電流為： 第62頁/共239頁第六十三頁，共239頁。對于不太強的紊流情況（2108Re106），將布拉修(Blassius)經(jīng)驗公式(gngsh

19、) 代入（3-25），即得紊流不太強時的沖流電流為： 第63頁/共239頁第六十四頁，共239頁。從而可知，在片流狀態(tài)，沖流電流與平均流速成正比，與管路直徑無關。在不太強的紊流狀態(tài)下，沖流電流與平均流速的1.75次方成比例，與直徑的0.75次方成比例。 若設液體的電導率為k，則長為l，截面積為r2的液柱之電阻(dinz)R為 故在平衡狀態(tài)下，沖流電流等于歐姆電流，兩端的沖流電壓可表示為： 若將（3-26）、（3-27）代入上式，即可得到片流和紊流狀態(tài)下的沖流電壓。第64頁/共239頁第六十五頁，共239頁。這里要強調(diào)指出，當液體(yt)作片流流動時，以上結果才是正確的。若液體(yt)作紊流流動

20、，只有滿足偶電層的厚度比紊流邊界層薄的假設條件才能應用上述結果。對于電導率很高的液體(yt)，如水溶液，由于離子濃度大，偶電層厚度總是很薄，能夠滿足該假設條件。然而，對于大多數(shù)碳氫化合物的烴類液體(yt)，由于是非導電性液體(yt)，離子濃度小，電導低，偶電層的厚度可能遠大于紊流邊界層的厚度，上面的公式當然不適用。第65頁/共239頁第六十六頁，共239頁。為了解決這一困難，Rutgers, Moyer等人提出了新的假設。他們認為，偶電層的厚度遠大于紊流邊界層的厚度，說明電荷不再局限在紊流邊界層內(nèi)流動。他們假設，在紊流狀態(tài)下，管內(nèi)(un ni)的液中電荷均勻分布于管截面上。在偶電層的固定層上若

21、有一個確定的面電荷密度，與此對應的擴散層電荷在空間形成體電荷密度s，因為偶電層是電中性的，所以在長為dx的一段管路中，液中電量與固定層上的電量之間有以下關系（不計紊流邊界層）： 即： 第66頁/共239頁第六十七頁，共239頁。其近似計算公式為 如果這些電荷從紊流邊界層上沖刷(chngshu)下去后又均勻分布于管內(nèi)，從（3-30）式可得沖流電流為： 第67頁/共239頁第六十八頁，共239頁。如果引入雷諾數(shù) 式中dP=2r為管道內(nèi)徑，則： 可見，沖流電流與速度的1.875次方成正比。這與Schn指出的速度指數(shù)介于(ji y)1.82之間相符合。 但是，必須指出，Rutgers的假設即液中電荷均

22、勻分布于管截面上，實際上只有低電導率液體在強紊流情況下才是可能的。（3-32）式也只適用于這種液流。第68頁/共239頁第六十九頁，共239頁。管道(gundo)長度對起電的影響起電的同時, 一部分電荷通過管壁泄放, 形成泄漏(xilu)電流.開始時, 起電快, 泄漏(xilu)慢.隨著起電量的增加, 泄漏(xilu)加快.當泄漏(xilu)等于起電量時, 達到平衡, 管道內(nèi)形成穩(wěn)定的沖流電流.第69頁/共239頁第七十頁，共239頁。設在單位時間內(nèi)從偶電層單位面積上沖刷下來的電量為Js（即起電電流密度，在平均流速v一定條件(tiojin)下，Js為常量），在單位時間內(nèi)向管壁的單位面積上泄放的

23、電量為Ja（即泄漏電流密度），則在一小段管路dl中，液中的電流增量為： 式中r為管道內(nèi)半徑。設液體的電導率為K，則泄漏電流密度為 第70頁/共239頁第七十一頁，共239頁。假定在dl范圍內(nèi)各點的Ew都相等；由于dl很短，在dl兩端面上的軸向電場亦可視為相等；設dl這段液柱內(nèi)的總電量為dQ，由高斯定理得： 亦即：因此(ync)得到： 第71頁/共239頁第七十二頁，共239頁。如果液中的電荷體密度為e，平均流速為v，則dl段內(nèi)的電量dQ又可表示為： 液體(yt)內(nèi)的電流 第72頁/共239頁第七十三頁，共239頁。 當e和v在整個管截面上為常數(shù)(chngsh)時（只有在強紊流情況下才正確），把

24、二式相除并化簡得： 將（3-39）代入（3-36）得： 第73頁/共239頁第七十四頁，共239頁。 再把此式代入（3-33）并分離變量得 這就是沖流電流在考慮(kol)管長時的微分方程。其通解為 第74頁/共239頁第七十五頁，共239頁。設液體在送入管路時不帶電，則l=0時I=0,據(jù)此可定出 此時(c sh)沖流電流為 第75頁/共239頁第七十六頁，共239頁。 利用電流強度與電荷密度(md)的關系I=sr2v可求出液中電荷密度(md)s與管長的關系為： 第76頁/共239頁第七十七頁，共239頁。第77頁/共239頁第七十八頁，共239頁。幾點結論： （l）在起電過程中，沖流電流或電荷

25、密度隨長度l按指數(shù)規(guī)律增加。增加的速度(sd)取決于v。v小者，增加得慢，如圖（3-8）所示。 （2）當l時，沖流電流或電荷密度趨于一穩(wěn)定值，稱為飽和沖流電流或飽和電荷密度，亦即： 雖然從理論上講需經(jīng)無限長的管路才達飽和，但實際上,當液體流經(jīng)的長度l=v時，電流（或電荷）已達飽和值的63；若l=3v,已達飽和值的95%;若流經(jīng)5v的距離，則可達飽和值的99。所以有的人認為，只要流經(jīng)v的距離電流或電荷密度(md)就算達到了飽和,并把v稱為飽和距離。筆者與導師皆認為,應該把3v5v稱為飽和距離更合理些。 第78頁/共239頁第七十九頁，共239頁。（3）在推導（3-42）式時，利用了l0時,I0這

26、樣的邊界條件。實際上這不是最一般的情況。如果假定送入管路時液體就已帶有電流I0，這時應該使用l0，II0這一邊界條件來確定積分常數(shù)c，這時 這就得到： 式中I0為進入管路時的初始電流。由上式可見(kjin)，初始電流隨管長按指數(shù)規(guī)律衰減。（3-46）式才是沖流電流的一般表式，即：管路內(nèi)的沖流電流由兩部分組成，一部分是管路內(nèi)偶電層分離形成的電流，另一部分是從管外帶進來的初始電流。前者隨管長按指數(shù)規(guī)律上升，后者隨管長按指數(shù)規(guī)律下降。當經(jīng)無限長管路后，前者上升到飽和值Is，后者降為零。這就是說足夠長的管路后，初始電流I0對管路電流的貢獻可以忽略不計。第79頁/共239頁第八十頁，共239頁。（4）對

27、于電解質(zhì)的水溶液，因為電導率K大，所以很小，因此I達飽和所需的距離很短，對這類液體不必考慮管長的影響。對于非導電性溶液，由于電導率低，很大，I達飽和所需距離35v 就較長。這時，如果流經(jīng)管路(un l)亦很長，即lv，則可認為I早已達飽和。如果流經(jīng)管路(un l)很短，即lv，則必須考慮l對I 的影響。從下面的推導可出，這時I與l成正比： 由于lv）內(nèi)流動時，A?。?5/4）10-6 As2/m4。 式中、對不同的管道取不同的值，如表3-1所示。研究者值值主要條件Koszman and Gavis1.880.88管道直徑在0.10.5cm間Schn1.82.01.82.0管道直徑不同時、有不同

28、值Gibson and Tloyd2.41.6管道直徑在1.6210.9cm之間第88頁/共239頁第八十九頁，共239頁。噴霧起電與帶電(di din)水霧噴霧起電(Spray Electrification)(又稱噴射(pnsh)起電)濺潑起電(Splash Electrification)液滴破碎起電第89頁/共239頁第九十頁，共239頁。第90頁/共239頁第九十一頁，共239頁。第91頁/共239頁第九十二頁，共239頁。破碎(p su)起電1890年Elster, Geitel發(fā)現(xiàn)阿爾卑斯山的急流濺起的水滴強烈?guī)щ?1892年lenard發(fā)現(xiàn)上升氣流從瀑布底部水面帶起的小水滴帶負

29、電.1909年Simpson發(fā)現(xiàn)強烈垂直射流中水滴破碎(p su)產(chǎn)生了可觀電荷.1921年Lenard實驗證實了這些結果.第92頁/共239頁第九十三頁，共239頁。Zeleny在1933年使用高度(god)凈化的水作實驗。他發(fā)現(xiàn)在20m/s水平射流中的一個水滴破碎后會產(chǎn)生約710-6C/m3的電量。1952年查普曼（ChaPman）使直徑4mm的許多蒸餾水水滴落到速度為17.3 m/s垂直射流中，則劇烈的破碎使每個水滴產(chǎn)生約110-10C的電量，約合3.3310-3C/m3。然而，當使兩個水滴碰撞后的不穩(wěn)定水滴在8m/s的穩(wěn)定上升氣流中破碎成若干較大的碎滴時，產(chǎn)生的電量與Simpson和Z

30、eleny發(fā)現(xiàn)的量級相同。由此看來，水滴破碎時產(chǎn)生的電量取決于它們破碎的劇烈程度。第93頁/共239頁第九十四頁，共239頁。后來人們又發(fā)現(xiàn)，電場的存在對水滴破碎起電量影響較大。Matthews和Mason1944年在1500V/m的電場中和靜止空氣中，對下落水滴的破碎和起電進行實驗室研究。他們使一個直徑約為12mm的水滴下落12m以后，在一對產(chǎn)生垂直電場的水平電極間破碎，使較大碎滴無濺射地通過(tnggu)法拉第筒以測出其電量，而破碎的體積可在收集稱量后確定。測試結果表明,當沒有外加電場時,破碎水滴產(chǎn)生的電量約為3.3310-6 C/m3，這與Simpson和Zeleny的結果相吻合。當有外

31、加電場時，每單位體積水的平均電量隨場強增大而增大。當場強達到1500V/cm時，起電量可達到1.8310-3 C/m3，提高了近550倍！第94頁/共239頁第九十五頁，共239頁。 實驗還發(fā)現(xiàn)，水面上的氣泡膨脹破裂時，噴射出來的小水滴同樣是帶電的。Blanchar(1963)以及Iribarne和Mason(1967)的實驗表明，氣泡破裂時噴射出來的小液滴所帶電荷與氣泡半徑、溶液濃度(nngd)以及破裂前氣泡的壽命有關。一個半徑為R的氣泡所噴射出來的許多水滴上的總電量為： 式中C是溶液濃度(nngd)，單位為克分子升。該式表明，電量隨溶液濃度(nngd)增大而減小。這是因為偶電層的厚度隨溶液

32、濃度(nngd)增大而減小的結果。第95頁/共239頁第九十六頁，共239頁。下表給出了幾艘輪船(lnchun)洗艙水噴霧起電所形成的空間電荷密度實測值。 第貝坦輪1972年1月測試霍夫羅娃1972年12月測試捷德佛列斯特輪1973年3月測試艙內(nèi)情況污水污水 干凈水污水 干凈水水溫506027 洗艙機流量m3/h8352160 21601160 1160空間電荷密度nC/ m315-14 7 22第96頁/共239頁第九十七頁，共239頁。洗艙的電荷密度飽和值隨時間(shjin)的衰減以及靜電尺寸效應第97頁/共239頁第九十八頁，共239頁。第98頁/共239頁第九十九頁，共239頁。激涌起

33、電 19671972年，若干艘大型OBO船在海上相繼爆炸。這些事故與油輪洗艙沒有關系。我國1986年10月爆炸的一艘2萬多噸的油輪，既未洗艙，又未航行，而是停泊在碼頭進行排放壓艙水作業(yè)。事后進行的大量調(diào)查研究與實驗研究證實，這些事故，均與壓艙水（為了配載平衡和船舶穩(wěn)度的需要人為裝載(zhungzi)的海水又稱壓載水）有關。第99頁/共239頁第一百頁，共239頁。在船舶航行(hngxng)過程中，壓艙水不可避免地因搖晃而引起激涌，沖刷艙壁及其構件，激涌的本身所激起的波浪也會產(chǎn)生帶電的水霧。激涌的過程又伴隨著濺潑，水柱的破碎等起電過程。因此，壓艙水同樣能在船艙空間產(chǎn)生帶電水霧，產(chǎn)生很強的靜電場。

34、實測表明：混裝船的壓艙水激涌時所產(chǎn)生的靜電位與油輪洗艙時的靜電位非常相近。例如，含有油腳水的貨艙中每邊最大為4o的搖晃就足以形成很強的帶電霧氣。其電荷密度可與用水清洗含污水的相似貨艙時所產(chǎn)生的電荷密度相比擬，甚至更高。其達到飽和值所需時間更短。觀測到的最大空間電位為-50kV，最大電荷密度為50nC/m3。這恰好是洗艙時靜電場的數(shù)量級。第100頁/共239頁第一百零一頁，共239頁。項目第貝坦輪1972年1月測試霍夫羅娃輪1972年12月測試捷德佛列斯特輪1973年3月測試污水艙液面占整個艙內(nèi)空間的百分比約65%約55%約60%搖晃角度約5o 約4o 約4o 空間電荷密度nC/m318-50-

35、18第101頁/共239頁第一百零二頁，共239頁。上表是幾艘船舶航行過程中壓艙水激涌時所產(chǎn)生的艙內(nèi)靜電場的實測值（測量的是空間電荷密度）。很容易發(fā)現(xiàn)，壓艙水激涌時所產(chǎn)生的空間電荷密度與油輪洗艙時的空間電荷密度非常相似，甚至更高。 必須指出，無論是洗艙水還是壓艙水，所形成的帶電水霧均是由一個個帶電懸浮粒子所組成。這些成懸浮狀態(tài)的粒子與原來液體的連續(xù)相有完全不同的性質(zhì)。首先，液相的電導率原來對起電量有舉足輕重的影響，但變成懸浮粒子后，這些不連續(xù)相的粒子就具有特殊的起電規(guī)律，電導率不再是重要(zhngyo)因素。其次，由于空氣是良好的絕緣體，懸浮粒子的電荷不容易泄放（這里暫不考慮粒子碰撞所引起的電

36、荷中和），因此，懸浮的液滴能保持多長時間，電荷就幾乎能保持同樣的時間。第102頁/共239頁第一百零三頁，共239頁。沉降起電（第二(d r)部分再講）測量了裝油期間和裝油之后大型油艙內(nèi)電場強度、油品時間常數(shù)理論值與實測值之間有巨大(jd)差異.這是由沉降電勢所引起.沉降起電的本質(zhì)仍是接觸分離起電.第103頁/共239頁第一百零四頁，共239頁。第104頁/共239頁第一百零五頁，共239頁。第105頁/共239頁第一百零六頁，共239頁。人體在靜電場中，也會感應起電，如果人體與地絕緣，就成為獨立的帶電體。如果空間存在帶電顆粒，人們在此環(huán)境中可產(chǎn)生吸附帶電。人體靜電的極性和數(shù)值受人們所處的環(huán)境

37、的溫濕度、所穿的內(nèi)外衣的材質(zhì)、鞋、襪、地面、運動(yndng)速度、人體對地電容等因素影響。 第106頁/共239頁第一百零七頁，共239頁。接觸(jich)分離和活動帶電第107頁/共239頁第一百零八頁，共239頁。感感應(gnyng)和觸摸帶電帶電第108頁/共239頁第一百零九頁，共239頁。人體感應(gnyng)靜電第109頁/共239頁第一百一十頁，共239頁。感應靜電(jngdin)測試結果靜電(jngdin)感應靜電(jngdin)測試結果測試結果感應感應靜電(jngdin)測試結果靜感應靜電(jngdin)測試結果電測試結果感應靜電(jngdin)測試結果感應靜電(jngdi

38、n)測試結果感應靜電測試結果感應靜電測試結果感應靜電測試結果第110頁/共239頁第一百一十一頁，共239頁。第111頁/共239頁第一百一十二頁，共239頁。第112頁/共239頁第一百一十三頁，共239頁。第113頁/共239頁第一百一十四頁，共239頁。人體(rnt)靜電測試儀人體(rnt)靜電消除器第114頁/共239頁第一百一十五頁，共239頁。第115頁/共239頁第一百一十六頁，共239頁。第116頁/共239頁第一百一十七頁，共239頁。第117頁/共239頁第一百一十八頁，共239頁。電暈放電是發(fā)生在不均勻的電場中，空氣被局部電離的一種放電形式。若要引發(fā)電暈放電，通常要求電極

39、或帶電體附近的電場較強。對于兩極間的靜電放電，只有當某一電極或兩個電極本身的尺寸比起極間距離小得多時才會出現(xiàn)電暈放電。例如，在空氣中兩平行細線間的ESD，只有當細線的半徑r與兩線間距d之比d / r 5.85時，才有可能產(chǎn)生電暈放電。否則，隨著極間電壓的升高，兩極間直接產(chǎn)生火花放電而不會產(chǎn)生電暈放電。其它能產(chǎn)生電暈放電的典型的電極結構還有圓柱筒與其軸線上的細導線，細線與平板，尖端(jindun)與平板等。另外，處在空氣中的帶電體及接地表面上有突起或楞角部分，當其帶電體的電位足夠高時也會產(chǎn)生電暈放電。這種放電有時又稱尖端(jindun)放電。第118頁/共239頁第一百一十九頁，共239頁。引發(fā)

40、電暈放電的機制、閾值電壓及放電產(chǎn)生的電暈形態(tài)都與放電尖端的極性密切相關。根據(jù)放電尖端的極性不同，電暈放電可分為正電暈和負電暈兩種。當放電尖端為負極(fj)性時，產(chǎn)生的電暈稱為負電暈放電。形成負電暈的機制即所謂湯遜（Townsend）機制，即產(chǎn)生二次電子雪崩的次級電子是由正離子碰撞陰極表面引起陰極的電子發(fā)射而產(chǎn)生的。而放電尖端為陽極時的電暈放電則稱為正電暈。在這種情況下，流向陽極的正離子難以從場中獲取足夠的能量引起陰極的二次電子發(fā)射，此時在尖端處維持放電過程的二次電子主要是由其附近的中性分子和原子的光電離而提供的。從電暈放電產(chǎn)生的電暈的形狀來看，負電暈是包圍著放電尖端的均勻光暈圈，而正電暈則呈現(xiàn)

41、出非均勻的絲狀。一般來說，正電暈的起暈電壓要比負電暈的高。第119頁/共239頁第一百二十頁，共239頁。電暈放電是一種高電位、小電流、空氣被局部電離的放電過程。它產(chǎn)生的電流很小，約在1A到幾百個A之間。因此一般不具備引燃能力。一方面，電暈放電的許多特點正被人們廣泛的利用，例如靜電除塵、靜電分選以及靜電消除器、蓋革米勒計數(shù)器中都用到了電暈放電技術；但另一方面，電暈放電又會給許多系統(tǒng)造成電磁干擾。在一定條件下，電暈放電產(chǎn)生的放電電流會呈現(xiàn)出周期性的脈沖形式。當放電電極為陰極時，電流脈沖重復頻率可達104Hz；而防盜電極為陽極時，這一頻率可達106Hz。這就是所謂特里切爾（Trichel）脈沖（由

42、他于1938年首次發(fā)現(xiàn)(fxin)）。由于這些脈沖正好位于射頻段，因此會產(chǎn)生強烈的射頻干擾。這一現(xiàn)象對于航空、航天以及武器裝備中微電子系統(tǒng)將產(chǎn)生不可忽視的危害。飛機、航天器、導彈在飛行過程中，機殼或彈體上會因磨擦而產(chǎn)生靜電。當靜電電位足夠高時，可引發(fā)電暈放電，而電暈放電形成的電磁干擾會對飛機、航天器、導彈的制導系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，造成制導失靈或通信中斷，引發(fā)事故。另外，高壓輸電線上的電暈放電會造成不必要的電力浪費。第120頁/共239頁第一百二十一頁，共239頁。電暈(din yn)放電部分圖例第121頁/共239頁第一百二十二頁，共239頁。第122頁/共239頁第一百二十三頁，共239頁。第12

43、3頁/共239頁第一百二十四頁，共239頁。當絕緣體相對于導體電位的極性不同時，其形成的刷型放電所釋放的能量和在絕緣體上產(chǎn)生的放電區(qū)域及形狀是不一樣的。當絕緣體相對導體是正電位時，在絕緣體上產(chǎn)生的放電區(qū)域為均勻的圓狀，放電面積較小，釋放的能量也較少。而當絕緣體相對于導體是負電位時，在絕緣體上的放電區(qū)域是不規(guī)則的星狀區(qū)域，面積比較大，釋放的能量也較多。另外，刷型放電還與參與放電的導體的線度及絕緣體的表面積的大小有關。在一定范圍內(nèi)，導體線度越大，絕緣體的帶電面積越大，刷型放電釋放的能量也越大。一般(ybn)地說，刷型放電釋放的能量可高達4mj。因此，它可引燃大多數(shù)的可燃氣體，但它一般(ybn)不會

44、引燃粉體?？墒?，90年代歐洲的最新研究成果則推翻了這個結論。Glor, Maurer已用哈特曼管的刷形放電成功點燃硫磺粉和聚乙烯粉. 新實驗中確定的聚乙烯粉和硫磺粉的最小點火能量分別為13和1mJ.第124頁/共239頁第一百二十五頁，共239頁。感應性刷形放電(fng din)第125頁/共239頁第一百二十六頁，共239頁。第126頁/共239頁第一百二十七頁，共239頁。第127頁/共239頁第一百二十八頁，共239頁。當靜電電位比較高的帶電導體或人體,靠近其它(qt)導體、人體或接地導體時，便會引發(fā)靜電火花放電?；鸹ǚ烹娛且粋€瞬變的過程。放電時兩導體間的空氣被擊穿，形成“快如閃電”的火

45、花通道。與此同時，還伴隨著劈啪的爆裂聲。爆裂聲是由火花通道內(nèi)空氣溫度的急劇上升形成的沖擊波造成的。在發(fā)生火花放電時，靜電能量瞬時集中釋放，其引燃、引爆能力較強。另外，火花放電產(chǎn)生的放電電流及電磁脈沖具有較大的破壞力。它可對一些敏感的電子器件和設備造成危害。第128頁/共239頁第一百二十九頁，共239頁。還應當指出，帶電導體產(chǎn)生(chnshng)的火花放電和人體產(chǎn)生(chnshng)的火花放電是不完全相同的。在多數(shù)情況下，導體的靜電放電，形成一次火花通道便能放掉絕大部分靜電電荷，即靜電能量可以集中釋放。而對于人體靜電放電來說，由于人體阻抗是隨人體靜電電位變化而變化，在一次放電過程中可能包含了多

46、次火花通道的形成、消失過程，即重復放電。在每次放電過程中僅僅放掉一部分電荷。即每次僅釋放人體靜電能量的一部分。第129頁/共239頁第一百三十頁，共239頁。高。第130頁/共239頁第一百三十一頁，共239頁。傳播型刷型放電又稱沿面放電，還稱Lichtenberg放電。只有當絕緣體的表面電荷密度大于2.710-4C/m2時才可能發(fā)生。但在常溫、常壓下，如此高的電荷面密度較難出現(xiàn)。因為在空氣中單極性絕緣體表面電荷密度的極限值約為2.710-5C/m2，超過此極限值時就會使空氣電離。只有當絕緣體兩側帶有不同極性的電荷且其厚度小于8mm時，才有可能出現(xiàn)這樣高的表面電荷密度，此時絕緣體內(nèi)部電場很強，

47、而在空氣中則較弱。當絕緣板一側緊貼有接地金屬板時，就可能出現(xiàn)這樣高的表面電荷密度。另外，當電介質(zhì)板被高度極化時也可能出現(xiàn)這種情況。若金屬導體靠近帶電絕緣體表面時，外部電場得到加強，也可引發(fā)(yn f)刷性放電。刷型放電導致絕緣板上某一部分的電荷被中和，與此同時它周圍部分高密度的表面電荷便在此處形成很強的徑向電場，這一電場會導致進一步的擊穿，這樣放電沿著整個絕緣板的表面?zhèn)鞑ラ_來，直到所有的電荷全部被中和。傳播型刷型放電釋放的能量很大，有時可達數(shù)焦耳，因此其引燃引爆能力極強。實際上這種很高的表面電荷密度主要發(fā)生在氣流輸送粉料時，或者由絕緣材質(zhì)構成的大型容器或由帶絕緣襯層的金屬材質(zhì)構成的大型容器，在

48、灌充粉狀絕緣材料時。第131頁/共239頁第一百三十二頁，共239頁。第132頁/共239頁第一百三十三頁，共239頁。第133頁/共239頁第一百三十四頁，共239頁。第134頁/共239頁第一百三十五頁，共239頁。第135頁/共239頁第一百三十六頁，共239頁。第136頁/共239頁第一百三十七頁，共239頁。第137頁/共239頁第一百三十八頁，共239頁。第138頁/共239頁第一百三十九頁，共239頁。第139頁/共239頁第一百四十頁，共239頁。人體電位（kV）電擊程度備注1.0完全無感覺2.0手指外側有感覺，但不疼發(fā)出微弱放電聲2.5有針觸的感覺，有哆嗦感，但不疼3.0有被

49、針刺的感覺，微疼4.0有被針深刺的感覺，手指微疼見到放電的微光5.0從手掌到前腕感到疼指尖延伸出微光6.0手指感到劇疼，后腕感到沉重7.0手指和手掌感到劇疼，稍有麻木感覺第140頁/共239頁第一百四十一頁，共239頁。人體電位（kV）電擊程度備注8.0從手掌到前腕有麻木的感覺9.0手腕子感到劇疼，手感到麻木沉重10.0整個手感到疼，有電流過的感覺11.0手指劇麻，整個手感到被強烈電擊12.0整個手感到被強烈打擊由于人體電擊刺激帶來的精神緊張，往往會造成手腳動作失常，被機器設備碰傷或從高處墜落，造成靜電(jngdin)危害的二次事故。第141頁/共239頁第一百四十二頁，共239頁。第142頁

50、/共239頁第一百四十三頁，共239頁。第143頁/共239頁第一百四十四頁，共239頁。第144頁/共239頁第一百四十五頁，共239頁。第145頁/共239頁第一百四十六頁，共239頁。第146頁/共239頁第一百四十七頁，共239頁。第147頁/共239頁第一百四十八頁，共239頁。第148頁/共239頁第一百四十九頁，共239頁。第149頁/共239頁第一百五十頁，共239頁。: . 多, 血管極少, 不易帶走熱量. 在射頻照射下易水腫. 照射強度增大(zn d), 會使晶體混濁, 形成白內(nèi)障. 在極強照射下, 會失明. 第150頁/共239頁第一百五十一頁，共239頁。第151頁/共

51、239頁第一百五十二頁，共239頁。第152頁/共239頁第一百五十三頁，共239頁。第153頁/共239頁第一百五十四頁，共239頁。第154頁/共239頁第一百五十五頁，共239頁。第155頁/共239頁第一百五十六頁，共239頁。第156頁/共239頁第一百五十七頁，共239頁。部分企業(yè)(qy)的防靜電措施第157頁/共239頁第一百五十八頁，共239頁。第158頁/共239頁第一百五十九頁，共239頁。第159頁/共239頁第一百六十頁，共239頁。第160頁/共239頁第一百六十一頁，共239頁。第161頁/共239頁第一百六十二頁，共239頁。第162頁/共239頁第一百六十三頁，

52、共239頁。正如前幾章章中所指出的，油品在管線內(nèi)流動時靜電起電量與流速的1.52次方成比例地增加。例如，汽油、航空煤油之類的油品，在直徑為67.5mm的鐵管(ti un)內(nèi)、流量為每秒10升時，單位時間內(nèi)的起電量可達10-7A以上。若使它流入對地電容為1000pF的油艙，假設電荷不泄漏，艙內(nèi)就會以每秒100V的速度升高電壓。國內(nèi)某單位對裝柴油的油艙做過實驗，開始流量較低時，靜電起電并不明顯。例如，流量為23t/h時，半小時后測得靜電電位剛剛升到870V。若將流量提高到15t/h，約經(jīng)6分鐘靜電電位從190V上升到7000V?？梢?，控制液體流速，是減少靜電產(chǎn)生的有效方法。 第163頁/共239頁

53、第一百六十四頁，共239頁。不少國家的防靜電規(guī)程對裝油時的流速均作出了限制(xinzh)。但很不統(tǒng)一。有的是根據(jù)本國研究機構的研究結果制訂的，有的是工業(yè)部門或行業(yè)協(xié)會制訂的。下面給出國際上影響最大的三個控制流速的計算公式，供參考。 原西德化學工業(yè)協(xié)會，對于煤油、噴氣飛機燃料、清潔用輕質(zhì)汽油等，推薦采用如下經(jīng)驗公式來確定極限流速： 或者 第164頁/共239頁第一百六十五頁，共239頁。美國石油學會（API）推薦實用規(guī)程則提出如下流速公式： 對于汽車槽車： vd0.5 對于鐵路(til)槽車、油輪： vd0.8 第165頁/共239頁第一百六十六頁，共239頁。 殼牌石油公司也同意使用上式。 按

54、美國公式計算，其流速要比原西德的流速為快。但是，也有更保守的安全流速公式，例如(lr)比較有影響的西歐某一研究機構提出如下公式： vd0.38 第166頁/共239頁第一百六十七頁，共239頁。第167頁/共239頁第一百六十八頁，共239頁。事故統(tǒng)計資料也表明，頂部裝油的事故幾率大大高于底部裝油。從頂部注油造成事故的例子國內(nèi)外都時見報道。例如，1977年12月，某工廠一個200噸的油倉裝柴油時，使用(shyng)頂部注入方式，柴油中還夾有水，每小時約以1213噸的流量從內(nèi)徑為2.5英寸的管口噴入艙內(nèi)，約十幾分鐘發(fā)生了爆炸，繼而引起大火。事后的模擬實驗表明：經(jīng)5分鐘測得油面電位達7000V。隨

55、后以相同速度從下部注入，5分鐘后電位便從6000V降到300V。所以，堅持底部注入要安全得多。 第168頁/共239頁第一百六十九頁，共239頁。底部注油之所以油面電位較低，是由于下面幾項原因：在局部范圍內(nèi)可避免因油柱集中下落形成較高的油面電荷密度；減少了噴濺、泡沫，從而減少了新電荷的產(chǎn)生；減少了油品的霧化及蒸發(fā)，從而避免低于閃點溫度時的點燃；油面上(min shn)部沒有突出接地體，從而避免了局部電場的增高。 第169頁/共239頁第一百七十頁，共239頁。第170頁/共239頁第一百七十一頁，共239頁。第171頁/共239頁第一百七十二頁，共239頁。第172頁/共239頁第一百七十三頁

56、，共239頁。外，還能起到加快電荷泄外，還能起到加快電荷泄漏的作用，從而消除了靜漏的作用，從而消除了靜電積聚的危險。電積聚的危險。第173頁/共239頁第一百七十四頁，共239頁。加拿大于1963年開始在石油產(chǎn)品中使用抗靜電添加劑（ASA-3）。1968年英國開始使用石油抗靜電添加劑。1980年北大西洋組織就使用石油抗靜電添加劑達成協(xié)議，并制定了使用管理標準（ASTM一AG3747）。美國于1979年5月正式批準使用石油抗靜電添加劑。前蘇聯(lián)于1978年開始使用抗靜電添加劑。我國北京石油化工科學研究院、蘭州煉油廠等單位已于1976年研制成功了T1501石油抗靜電添加劑，并已于1979年陸續(xù)(lx

57、)在全國開始推廣使用。 第174頁/共239頁第一百七十五頁，共239頁。目前的抗靜電添加劑的類型，基本上可分為陽離子表面活性劑，陰離子表面活性劑和兩性表面活性劑。就其組成來說，抗靜電添加劑都采用多組份金屬鹽化合物。這是因為兩種金屬鹽配合使用能起到顯著的增效和協(xié)和作用。其混合(hnh)溶液的電導率要比兩種單體鹽電導率之和增大數(shù)百倍甚至上千倍。 第175頁/共239頁第一百七十六頁，共239頁。 抗靜電添加劑之所以能防止(fngzh)油品靜電起電，其作用機理可從偶電層理論加以解釋。表5-2加Zn-Dips苯溶液偶電層厚度濃度，mol/l厚度,m10-52310-41510-311 由偶電層原理可

58、知，當液體在管中流動(lidng)時，液體和管壁的界面形成偶電層。電導率高的液體如水的擴散層很薄。電導率低的液體如烴類則擴散層非常厚，擴散到液體內(nèi)部的廣大范圍，引起電荷的分散。而當烴類中有離子性物質(zhì)時，其偶電層被迫而變薄，使其電荷的分離、分布都受到限制，液體流動(lidng)所攜帶的電荷量也就大大減少。這就是抗靜電添加劑起作用的道理。 第176頁/共239頁第一百七十七頁，共239頁。過濾材料油品抗靜電劑含量油面最高電位KV油品電導率PS/m紙-玻璃纖維大慶2#航空煤油019.615紙-玻璃纖維大慶2#航空煤油0.1ppmT15014.650紙-玻璃纖維大慶2#航空煤油0.2ppmT15011

59、.2120紙-玻璃纖維大慶2#航空煤油0.4ppmT15010.5240紙-玻璃纖維大慶2#航空煤油1.0ppmT15010400國產(chǎn)(guchn)抗靜電劑效果表第177頁/共239頁第一百七十八頁，共239頁。第178頁/共239頁第一百七十九頁，共239頁。給油艙注油結束后，油面電位并非逐漸下降，而是由于沉降起電等原因，使油面電位有一個上升過程(guchng)，然后再下降。 第179頁/共239頁第一百八十頁，共239頁。 第180頁/共239頁第一百八十一頁，共239頁。 由此可知，若剛停泵就進行采樣、檢尺等作業(yè)，正好在最高油面電位下工作，是很不安全的。因此應規(guī)定在一定的靜置時間后方可進

60、行作業(yè)。靜置時間的長短與油品電導率和容積大小有關。電導率越小，容積越大，電荷消散(xiosn)所需時間越長，靜置時間就相應地長一些。日本靜電安全指南提出的靜置時間參考標準見下表。第181頁/共239頁第一百八十二頁，共239頁。油品電導率油艙容積 m3油艙容積 m3油艙容積 m3油艙容積 m3S/m10以下10-5050-50005000以上10-8以上111210-8以下10-12以上23103010-12以下10-14以上456017010-14以下1015120240第182頁/共239頁第一百八十三頁，共239頁。第183頁/共239頁第一百八十四頁，共239頁。第184頁/共239頁