医药工程设计中静电危害的分析及安全措施的探讨

医药工程设计中静电危害的分析及安全措施的探讨

崔玉泉

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摘要：本文针对医药行业的特点，对医药行业中常见的静电危害进行了分析，为进一步的医药安全设计提供了依据。对于医药行业常用的两种溶媒甲苯和乙醇，理论计算绝缘管道中静电电荷积累所聚集的能量。得出在绝缘管道中的流速建议值，以便消除静电积累，杜绝安全隐患，为进一步的医药安全设计提供了依据。

关键词：医药工程设计；静电；流动电流；静电积累；静电控制

随着医药工程设计行业的日益发展，人们对医药工程设计领域安全问题的关注和要求也与日俱增。其中火灾和爆炸事故又是最常见且危害最大的医药领域安全事故。而在众多点火源中，静电是引起事故最多且最让人难以捉摸的点火源。医药行业与传统石油化工行业的一个不同点是管道材质的选择：医药行业有着大量不导电的衬塑、塑料或玻璃管道。因此综上所述，本文主要针对医药行业的特点，对医药工程设计中静电的危害及相应的安全措施进行研究和探讨。

1静电

在医药工厂中，常见的引燃源是来自静电积累并突然释放的火花。其导致的严重爆炸和火灾事故困扰着整个医药工程行业。

1.1电荷积累与静电放电

医药行业中，与静电危害有关的电荷积累过程主要有以下四种：(1)接触和摩擦带电；(2)双层带电；(3)感应带电；(4)输送带电。由于电荷的积累，当静电场强超过空气的击穿电压或者物体表面达到最大电荷密度时，带电物体就会向地面或者带有相反电荷的物体进行放电。放电的形式主要有以下六种：(1)火花放电；(2)传播电极；(3)尖端放电；(4)电刷；(5)电弧；(6)电晕放电。结合医药行业非导电管道多的特点，本文主要分析流体在非导电管道中的双层带电电荷积累而导致的管道中的火花或电刷放电。静电放电所产生的能量与气体、蒸汽和粉尘的最小引燃能已经有相应的研究。一般情况下，可燃气体和蒸汽的最小引燃能为0.1 mJ，其可以被火花、电刷、圆锥尖端和传播电极放电引燃。可燃性粉尘的最小引燃能就较高，为10 mJ，其仅能被火花、圆锥尖端和传播电极放电引燃。静电放电形成的能量是积累电荷(Q)、物体的电容(C)和物体的电压(V)的函数。其中这三个物理量也可以通过公式C=Q/V进行关联。与放电过程有关的实际能量如下：2 2 Q CV J 2C 2(1)式中，J表示放电形成的能量，单位J；Q表示积累的电荷，单位C；C表示物体的电容，单位F；V表示物体的电压，单位V。

1.2流动电流

流动电流IS是由于双层带电造成的电荷积累所引起的。其具体是指流动的液体与管壁不断的摩擦，在管内壁相界面产生大量电量相等，相性相反的静电核。即当流体流过管壁时，管壁会带有部分电离子，而流体中一部分相性相反的离子就会因为静电吸引作用和表面紧密结合，形成紧密层，其余带相反电荷的离子则因为热运动扩散分布在溶液中，形成扩散层。由于流体不断的流动，由于摩擦产生的双电层会产生分离。流体将带有与管壁相反电荷的离子带走，管壁上的电荷由于失去束缚变成自由电荷，从而在管壁形成一定的静电电压。在医药行业主要体现在导电流体在流经管道(衬塑、塑料或玻璃)时，由于管壁无法将产生的电荷移除，因此静电在流动的物质上产生并不断积累，静电电位不断升高。该电流与电路中的电流类似。流体流动电流与管径，管道长度，流速和流体本身的性质有关。

2医药行业中静电的危害及控制措施

2.1管道中静电的积累

分别以医药工程设计中最常见的溶媒甲苯和乙醇为例，甲苯的电导率为1×10-14Ω-1/cm，介电常数为2.4；乙醇的电导率为1.35×10-9Ω-1/cm，介电常数为25.7。对于普通的衬塑、塑料或玻璃管道，由于其不导电的性质，无法做管道接地。因此对于导电流体，其在非导电管道中流动的电阻长度就相当于不接地管段的管道长度，电阻的面积相当于导电流体的横截面积。电阻计算采用公式(4)计算，如下：1 L R()()c r A(4)式中，R表示流体电阻，单位Ω；L表示管道长度，单位m；A表示流体的横截面积，单位m 2；rc表示电导率，单位Ω-1/cm。表1选取医药工程设计中常见的管径DN50，根据公式(2)和(3)计算出流动电流，再根据公式(4)和流动电流计算出电压，最后根据公式(1)计算出所积累的能量。针对甲苯和乙醇对比计算不同非导电管道长度和流体流速下法兰边缘形成的电容所积累的能量。其中根据Eichel[3]书中所述，法兰之间的电容为2×10-11 F。从表1中可以看出，对于甲苯溶液其在很低的流速下，在很短的一段非导电管道长度内所积累的能量便会超过气体和蒸汽的最小引燃能为0.1 mJ。而且一味的降低流速在经济上是不利的。因此对于甲苯溶液，在设计中必须使用导电性良好的金属管道或带有导电丝的特殊非金属管道。对于乙醇溶液，在流速低于2 m/s时，在10 m长度下的非导电管道内积累的能量不会达到气体和蒸汽的最小引燃能。而当流速在1 m/s左右时，该管道长度可以达到20m。因此在设计中必须综合考虑流速的经济性和非导电管道长度的安全性，以达到设计成品即经济又安全的目的。从表1中还可以看出，在甲苯流速达到1 m/s，乙醇流速达到2 m/s时，所积累的能量大幅度增加，因此甲苯的流速最好不要超过1 m/s，乙醇的流速不要超过2 m/s。

2.2静电的控制措施

通过2.1章节可知，在绝缘的管道和设备内，流体与管壁或容器壁的摩擦会产生静电积累。这种静电积累使得带电的绝缘体一旦与金属或者导电性良好的物体接近或接触时，就会发生电刷放电现象，当放电的能量大于气体的最小引燃能时，如空间内可燃气体浓度高于其着火下限，便会发生火灾或爆炸事故。因此消除静电的积累是医药工程设计安全方面一个重要的考虑内容。由于工艺和具体物质物性的限制，当非导电管道的长度会造成静电积累大于安全值时，通过采用导电软管或在衬里管道中加入导电丝是很好的消除非导电管道中静电积累的方法。

2.3药物输送过程中的静电问题

药品输送过程中的静电问题是非常严重的，特别是在输液器、输液泵、输液袋等设备中。这些设备通常都是由塑料材料制成，具有很好的耐腐蚀性能和抗菌特性。但是，它们也存在一些缺点，例如易受静电影响。这是因为这些设备内部有大量的空气间隙，并且这些空隙很容易受到外界环境的影响，比如温度、湿度等等。如果这些因素发生变化，那么静电可能会对设备造成损害。此外，这些设备还存在着其他方面的问题，比如说容易出现漏气等问题。所以为了保证药品运输的质量和稳定性，需要采取相应的措施来解决这些问题。

3结论

本文针对医药行业的特点，对医药行业中常见的静电危害进行了分析。并通过理论计算了绝缘的管道中静电电荷积累所聚集的能量。为进一步的医药安全设计提供了依据。通过计算可以看出对于医药行业常用的两种溶媒甲苯和乙醇管道：在考虑消除静电积累措施的同时，甲苯的流速最好不要超过1 m/s，乙醇的流速最好不要超过1.5 m/s，以保证安全。

参考文献：

[1]陈国华，范小猛，王新华，等．输油管道静电放电形式及危害防护研究[J]．工业安全与环保，2015(5)．

[2]Glor M，Maurer B．Ignition Tests with Discharges from Bulked Polymeric Granules in Silos[J]．Journal of Electrostatics，1993，30：123-134．

[3]祝卿，陈继刚，付裕，等．危化品存储区域内的静电放电危害及防护研究[J]．计测技术，2018，38(S1)：216-219．