أخطار الكهرباء الساكنة والعلاقة بالعملية الكيميائية

بسم الله الرحمن الرحيم

أخطار الكهرباء الساكنة والعلاقة بالعملية الكيميائية

الملخص

أينما وجدسائل يتدفق، توجد إحتمالية لتوليد شحنة ستاتيكية ضمنه. ومعدل تدفق السائل، موصلية السائلة، وقطر الماسورة/الوعاء كل هذه العوامل لها تأثير على تراكم الكهرباء الساكنة. حتي عند تأريض النظام، تظل الشحنات الكهروستاتيكية تتراكم ويمكن أن تُفرغ غالبا على شكل شرارة. يمكن أن يؤدي هذا إلى العديد من المشاكل من حيث عملية التصنيع حسب تحريض الوعاء لإمكانية حدوث حريق في وجود الجو القابل للاشتعال. يهدف هذا التقرير إلى تسليط الضوء على عدد من مشاكل تراكم الشحنة الثابتة في السوائل وعلى التقنيات التي يمكن أن تستخدم للحد من هذه المخاطر.

مقدمة

مخاطر الكهرباء الساكنة المرتبطة بـ الغبار والمساحيق لطالما تم التعرف عليها بإعتبارها خطر محتمل في العمليات الصناعية، وعدد الإحتياطات التي يمكن إستخدامها للسيطرة على التراكم الاستاتيكي أو للقضاء على خطر الحريق أو الإنفجار.1-3

وهناك تقنية شائعة وهي بتوصيل أي جهاز بالأرض، وبالتالي يتم تبديد أي شحنة استاتيكية بامان إلى الأرض.

وكانت المخاطر الكهروستاتيكية للسوائل لنا بها معرفة أقل.يمكن للشحنة الكهروستاتيكية أن تتراكم أينما وجد تتدفق سائل أو حدوث عملية ترسيب.

يمكن أن تتراكم الشحنة الكهروستاتيكية داخل السائل، وخاصةً تلك التي لها موصلية منخفضة مثل الهيدروكربونات. حتي مع تأريض الوعاء أو الماسورة، يمكن أن تبقى الشحنة داخل السائل لفترة طويلة من الزمن (في بعض الحالات دقائق). 4-6

هذا يمكن أن يؤدي في نهاية المطاف إلى التفريغ أو الشرارة التي قد تنتج حريق في وجود جو قابل للإشتعال. تدفق السائل في الماسورة يؤدي إلى إنفصال الأيونات السالبة والموجبة في السائل (انظر شكل 1). وبالتالي تلعب الخواص الكهربية للمذيب دوراً رئيسياً في تحديد كلاً من توليد وتراخي الشحنة؛ مفتاح المعلمات هو الخواص العازلة والمقاومة الكهربية. يتم التعبير عن موصلية السائل من حيث سيمينز لكل متر (S/m) أو الأكثر شيوعاً بيكوسيمينز في المتر (pS/m) (جدول 1).

شكل.1 التوليد الاستاتيكي بفعل تدفق السوائل

شكل.2 التراكم الاستاتيكي للمذيبات قليلة الموصلية low Conductivity

الموصلية للسوائل. موصلية السائل لها تأثير كبير على مدى قدرة شحن السائل. في الواقع يمكن تقسيم السوائل إلى ثلاث فئات تبعاً لـ موصليتها،

العالية (> 1000 pS/m)، المتوسطة (50-1000 pS/m) والمنخفضة (> 50 pS/m). مع سائل عالى التوصيل أي شحنة إستاتيكة متولدة داخل السائل يمكن أن تجري على الماسورة أو الوعاء و تُبدد بأمان إلى الأرض. للسوائل الوسيطة، فإن معدل توليد الشحنة يمكن أن يكون حاسما، أي عندما يكون توليد الشحنة سريع، ثم ربما لايوجد وقت كافي لتبديد الشحنة. السوائل قليلة الموصلية غير قادرة على تبديد الشحنة الاستاتيكية، وبالتالي يمكن أن يحدث التراكم الاستاتيكي حتى لو كان الوعاء مؤرض كما هو موضح في شكل.2 ومن هذه الفئة من السوائل التي تعطي أعلى درجة من المخاطر في عمليات التصنيع.

ويبين الجدول 1 قاعدة الموصلية لمجوعة من المذيبات الشائعة وبعض أوقات الإسترخاء. الكثير من الهيدروكربونات لها موصلية قاعدة منخفضة، وهذه السوائل غالباً ما تتطلب اهتماماً خاصاً في التعامل معها. ترتبط الموصلية للمذيب بدرجة لزوجته؛ وبالتالي ستكون موصلية السائل أقل عندما يكون بارد . ولذلك فمن المهم في عمليات التصنيع لقياس موصلية المذيب عند بدء التشغيل، أو عندما يكون المذيب عند أقل درجة حرارة،ولزوجة،وموصلية.

التوليد الإستاتيك في العمليات الصناعية. يصف القسم التالي الطرق المختلفة التي تتولد بها الاستاتيكية في العمليات الصناعية.

تدفق خطوط الأنابيب. بما أن الشحن يحدث على طول الماسورة، تصل الشحنة لقيمة قصوى حيث يكون توليد الشحنة يساوي الإسترخاء من خلال جدار الأنابيب (أي يتم التوصل إلى التوازن). تعتمد الشحنة المتولدة على قطر الماسورة، موصلية السائل، ومعدل التدفق. كلما كانت موصلية السائل أقل و معدل التدفق أعلى كلما زادت الشحنة التي يمكن توليدها.

أي إنسداد أو تقييد مثل الصمامات او مرشحات يمكن أن تزيد الشحنة أيضاً بسبب الإضطرابات المتولدة في الماسورة وارتفاع معدل التدفق.

الخلط والتحريك. وجود مرحلتين في مفاعل/الوعاء يمكن أن يؤدي إلى توليد شحنة بالتحريك. إرتفاع سرعة الإثارة يؤدي إلى توليد الشحنة أكثر. في بعض الأنظمة حيث يذاب الصلب في السائل، يمكن توليد شحنات كهروستاتيكية عالية جداً. في هذه الحالة ربما تتطلب إحتياطات خاصة.

السقوط الحر/ الرش للسوائل. السقوط الحر للسوائل يؤدي إلى إثارة ويمكن أن تكون مهمة جداً في ملئ أوعية التفاعل من حيث التوليد الساكن.

عمليات صناعية أخرى. تصفية المياه، إمتزاج المخاليط والتبلور، والهباء الجوي يسبب شحن عالي جداً في السوائل.

عواقب التراكم الاستاتيكي. إذا كانت شحنة كهروستاتيكية كبيرة بما يكفي موجودة في المذيب وهناك جسم مؤرض في مكان قريب، بعد ذلك يمكن أن يحدث تفريغ أو شرارة. إذا كان هناك جو قابل للإشتعال والشرارة لها طاقة كافية لإشعال المذيب، إذاً يمكن

أن يحدث حريق. هناك العديد من القضايا التاريخية حيث بدأت الحرائق بفعل التفريغ الستاتيكي من السوائل التي تنطوي على مجموعة من المذيبات منخفضة الموصلية.

إن وجود طبقة نيتروجين يمكن أن يستخدم لمنع اشتعال الجو. ولكن لايزال هذا يؤدي إلى مشاكل مع تأليب مفاعل. مثال على ذلك وهو الأضرار التي لحقت بأوعية التفاعل المبطنة بالمينا بسبب تفريغات الكهرباء الساكنة.7

المينا نفسها لا يمكن أن تكون مشحونة بشكل خطير، على عكس بعض المواد البلاستيك، ولذلك يتم إستخدامها وعلى نطاق واسع في الصناعات الكيميائية والصيدلانية. ومع ذلك، تجربة إستخدام أوعية المينا أظهرت تحت ظروف معينة شحن كهروستاتيكي عالي يمكن أن يحدث والشحنات المتولدة يمكن أن تسبب تحريض جدار المفاعل. إذا كان هذه

لا تزال دون رادع، يمكن أن تؤدي إلى التآكل، وأضرار واسعة النطاق، توقف المفاعل، وحتى استبدال المفاعل.

وقد شوهدت تجارب مماثلة للمفاعلات المبطنة بالزجاج.8

الوقاية من التراكم الستاتيكي في السوائل. هناك عدد من الطرق التي يتم من خلالها تقليل أو القضاء على التراكم الاستاتيكي في المذيبات قليلة الموصلية. الطريقة الأولى هي ببساطة زيادة موصلية السائل إلى مستوى آمن من خلال إضافة مادة مضافة؛ سيكون هناك حاجة لمستويات جرعة مختلفة لعمليات صناعية معينة.

وكما ورد سابقاً، الساكنة يمكن أن تتولد في العديد من العمليات المختلفة، وتحسين الموصلية يتطلب تصميم مختلف. كما يبين جدول 2، التبلور أو إذابة المواد الصلبة يتطلب موصلية أعلى بسبب المعدل السريع للتوليد الساكن مقارنةً مع خلط بسيط للمذيبات. وهناك عدد من المواد المضافة المضادة للساكنة متاحة تجارياً للإستخدام في السوائل.4-6

مثال واحد وهو Octastat، التي يمكن أن تحسن موصلية المذيبات على المستويات جزء في المليون. ويظهر رسم بياني نموذجي في شكل.3 جرعات من toluene مع Octastat 3000.

مطلوب مستوى جرعة بـ 1-2 جزء في المليون لرفع الموصلية فوق 1000 pS/m.

الجرعة الدقيقة للعديد من هذه الإضافات تعتمد على المذيب الخاص وعملية التصنيع المستخدمة. ولذلك ينصح لقياس موصلية المذيب مباشرة بإستخدام مقياس موصلية لكل تطبيق.

في الأنابيب طريقة آخرى للحد من التراكم الستاتيكي وهو بتقليل سرعة التدفق. التدفق الأقصى الموصى به لمذيب قليل الموصلية هو 1m/s حيث الصلب أو السائل الثاني يمكن أن يكون موجود. وإلا بحد أقصى يُقترح 7m/s. بإجراء السوائل في الأنابيب المعدنية، نادراً ما يتطلب التحكم في التدفق. الإختيار الدقيق لنقاط المدخل والمخرج يمكن أن تساعد في تقليل مشاكل توليد الساكنة بسبب الرش، كما تفعل صمامات القطر الكبير.

الإستنتاجات

المعنى الضمني لعملية التوليد الساكن في تدفق السوائل أو عمليات المرحلتين غالباً ما يتم التغاضي عنها. مع السوائل منخفضة الموصلية القابلة للإشتعال توجد دائماً مشكلة الشرارة التي يمكن أن تؤدي إلى الحريق، ولكن يمكن أن تؤدي أيضاً إلى ضرر المفاعل.

موصلية السائل تحدد المعدل الذي يمكن أن تبدد الكهرباء الساكنة المتولدة إلى الأرض.

وبإرتفاع موصلية السائل، يمكن أن تحدث سرعة تبديد أكبر. بعض الخيارات مفتوحة لعملية الهندسة الكيميائية للتحكم في الساكنة في السوائل للحد من معدل التدفق في الماسورة أو لزيادة موصلية المذيب بإستخدام مادة مضافة مضادة للتوليد الساكنة.

ATEX 137 زاد مستوى الوعي من الكهرباء الساكنة في عمليات التصنيع، ومشكلة التراكم الكهروستاتيكي في السوائل ولذلك ينبغي التصدي لها في العمليات الحالية والمستقبلية.
المصادر:
ترجمة كتاب 
Electrostatic Hazards in Liquids and Relevance to Process Chemistry
الرابط
http://www.aseanbiotechnology.info/Abstract/21021179.pdf