北村  正一

坂口  威

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坂口, 威

SAKAGUCHI, Takeshi

サカグチ, タケシ

北村, 正一

KITAMURA, Shoichi

キタムラ, ショウイチ

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金属管を流れる石油の帯電その他（別言語等）のタイトルOn the Electrification of Petroleum Flowingthrough Metallic Tubes著者 坂口  威, 北村  正一雑誌名 室蘭工業大学研究報告巻 5号 2ページ 537-546発行年 1966-08-25URL http://hdl.handle.net/10258/3258金属管を流れる石油の帯電坂口 威・北村正一On the Electri五cationof Petroleum Flowing through Metallic Tubes Tal王eshiSakaguchi and Shoichi Kitamura Abstract On the mechanism of the electri五cationof petroleum flowing through metallic tubes， only a few approaches have been proposed， say， by Cooper， Bustin， Ernsberger and the Shell group， but they do not explain satisfactorily the effects of the tube length and the initi旦1transient丑ow.In this paper another approach is presented under a simple model， provided that (a) the electric double layer， constructed by the dissociated ions of a very small amount of electrolyte in petroleum on the tube surface， may b巴 seperatedby the m巴chanicalenergy given by 丑owing，and therefore a new term“charge seperating velocity u，" is introduced; (b) if the rate of seperation of the double layer is proportional to the residue of the dissociat-ed ion-pairs， the e妊ectof the tube length to the streaming current may be shown by another new term“electrification time T e" ; (c) the leakage of the seperated charges may， as already known， be shown by the relaxation tJme 7:，・;(d) at the initial transi巴ntflow u" andてemay be altered. From the above-mentioned model the streaming current is is presented as follows: }sニ 1u2 exp (-uclu) {l-exp (-L/Teu)} exp (-L/TrU) where 1= proportional constant， u =自owingvelocity， and Lニtubelength. 1. まえがき石油類が金属管を流れるときに帯電することは，かなり以前から知られていた。 W.F. Cooper1)は1937年頃までに，この帯電現象について研究してノモグラムを作った。 第 2次世界大戦後に至って，この問題が静電気災害の原因になっていることから急速に関心が高まって来ている。しかし金属管内の流動による石油の帯電(またはイオン化)に関する報告はわずかである。 W.M. Bustin等2)は金属管を流れる石油の帯電傾向を流動電流で測定し，管の長さの影響を考慮、に入れた式を提出した。この式はかなり良く測定値に合っているので，しばしば他の文献にも引用されているが，帯電現象の説明には役立たないと思われる。また Shellグループ3)は流体学と電気2重層の考え方を組み合せて司一種の理論式を提出している。そして管の長さの影響については BustIn等の式と同じものを用いている。(31) 538 坂口 威 ・北村正一他方この流動電流の発生原因については，まだ定説はない。純粋の炭化水素では，流動電流を生じないが，イオン化性溶液を微量混入するとある濃度で流動電流の大きさが最大になることが知られていてへこの不純物が常電の原因になっていることは一般に認められている。しかしこの不純物の帯電機構については明らかにされていない。ただ，帯電現象の発生する場所が，管壁と石油の接触部であることは一致している。得電機構については2種類の仮説が提出されている。第 1の仮説は，古くから知られている溶液の電気2重層説に基づくもので，Cooperが始めてこの分野に導入しへ Shelグループが乱流における電気2重層に検討を加えた6)もので非常に有力な説とみられている7)。 これに対して第2の仮説は， F. M. Ernsberger によって提出されたものである8)。 彼によれば，第 1の仮説はイオン論的で，彼のものは電子論的である。そしてイオン論では2重層構成分子が流体の流動によるせん断力で分離してイオン化されるが，彼の電子論では，吸着不純物分子の熱的に活性化されている分子に機械的エネルギーが加わって離脱されるときに電子を放出して正イオン化するものと，電子を過剰にもって負イオン化するものとが存在すると仮定されている。筆者等は，第 1の仮説をもとにして加えられた機械的エネルギーとの関係を熱電子放出の理論式と類似の式をここに提出する。この式は実験値と良く合う。そしてこの式から筆者等は1)石油に含まれている 2重層構成分子の分離イオン化エネルギーが，その分子の種類で異ること， 2)また帯電傾向が流速の 1.75-2.0乗に比例するということを，その分離イオン化エネルギーの差から導かれることを示し，さらに 3)短い管の流動電流にみられる流れ始めの影響についても説明を加える。2. 帯 電 理論石油が金属表面上を流動するときの帯電機構モデルを次のように提案する。1) 純粋の炭化水素はイオン化しない。これは実験的に確認されているへ2) 微小混入している微小量電解質が電離して金属表面上で電気2重層を作る。3) 電解質の種類によって，金属側に吸着される分子の電荷符号が異なる。4) 流動によって，この電気2重層を作っている結合にせん断力が加わって，その機械的エネルギーが分離に必要な最小エネルギー (これを電気2重層の電荷分離エネルギーと呼ぶ)を越えるときに分離して，イオンが流体中を流れる。これと同時に，金属が接地されていると，吸着していた分子はその電荷を大地に流して中和する。5) 乱流では電解質分子の中で電荷分離する数は流れ始めからの時間と共に増加して，その流速によって得られる機械的エネルギーよりも小さな電荷分離エネルギーを持つ分子はすべて電荷分離されるにいたる。6) 電気2重層の電荷分離エネルギーは電解質の種類によって異なる。(32) 金属管を流れる石油の帯電 539 以上の仮定に基づいて，次の仮説を組み立てる。単位体積の石油中に含まれる電解質分子の数を m とし， その内，2重層の電荷分離による過剰イオンの数を nとする。連続の流動によって nが増加する割合は，まだ電荷分離していない電解質分子の数に比例するとして，次の微分方程式が得られる。安=k(m-n) kは比例定数である。t=Oで n=Oの初期条件で解くとn = m {1-exp (-kt)} (2-1) (2-2) となる。ここで k= 1/τeとおき むを帯電時間と呼ぶ。むを用いて (2-2)式を書き直すとn = m {1 -exp ( -t/ロ)} (2-3) となる。むの物理的意味は緩和時間と類似のもので，与えられた条件の下での電荷分離の進行速度を表わすものである。これは電解質の種類，乱流の程度，電解質と金属表面との吸着の条件および金属表面の濡れの程度等によって決まるものと考えられる。次に単位体積当り電解質分子 1個が単位時間毎に過剰イオ ン11固となって電流を形成するが，その電流の式は次の (2-4)式で示されると仮定する。io = uq = bu2 exp (一日ζ/αu) [A/m2] ここで u=液体の平均流速 [m/s] q = 1個の分離イオンの電荷量 [クーロン]b=係数Wζ=電気2重層の電荷分離エネルギーα=流速 uのときの機械エネルギ一変換係数Wr./'α三 Ur.=流速と同じ元，これを電荷分離速度と呼ぶ(2-3)式と (2-4)式から単位体積の液体中の電荷分離したイオンによ り生ずる電流は11=向 =nb u2 exp ( -Wr./'αu) {1-exp (-t/re)} = 1 u2 exp (-Wr./αu) {1-exp (-t/re)} I=nb i1 = 1 u2 exp (-uc/u) {1-exp (-t/re)} (2-4) (2-5) (2-5') 漏えいする電流の影響は緩和時閉じを用いて exp(-t/ゎ)で表わされるので，管の長さを Lとして t=L/uを考慮すれば，む=1 u2 exp (-ur./u) {1-exp (-L/reu)} exp (-L/τrU) で与えられる。(33) (2-6) 540 坂口 威・北村正一3. 流動電流の測定方法流動電流の測定方法としては，図 1に示すようにータンクから石油をポンプで駆動しファラディケージに受け，その電位の高まりから蓄積電荷量を求め，この時間微分として流動電流を求める方法を用いた。 ファラディケージの静電容量は約 lOOpFであり金属管は鋼である。Bustin等が用いた方法は図 2に示すように，テアロンの絶縁フランジでステンレス鋼を電気ダニグプアヲデイ・ケー ジ計量量計へ絶主義物図 1 測定装置概略図Fig. 1. Sketch of apparatus for the measurement VAPOR LJNE 11'プ口〉姥撮プヲユジのでイグ刀ー でイグロアニメー ダ図 2 Bustinの測定装置概略図Fig. 2. Sketch of apparatus for Bustin's measurement (34) 金属管を流れる石油の帯電 541 (1':1に絶縁L，Testlineで生ずる流動電流をマイクローマイクロアンメーターで狽Ij定している。前者の方法においては，流動電流におよぽすポンプの影響が考えられるが，その影響を考える必要がないことを実験で確認している。従って両者の結果合比較するに際して，測定方法に違いがあると;主云え，金属管による流動電流を考えている点では違いがない4 測定結果と検討測定の結果を図 3に示す。図で A，B， Cは内佳 9mmで長さ O.8mの鋼管の実験であって実験の行なわれたI!民r;はA，B，Cの順である。日時を経ると石油中に合まれる電解質(特に1;[十二重力 6.0 官rHャIG ふD(7ーOテA) 7.0 0.8 。.60.4 • NO.ち40721-1一下一一fφ=ヲmmEφ =9mm 0.2. 0.8 7.0 2.0 4.0 一-/オt 遮 % 図 3 流動電流の流速による笈化Fig. 3. Tube currentむ8. velocity (35) 542 坂口 威・北村正一水分)が変るので，流動電流の値がかなり変化しているのだと考えられる。 しかし流速による帯電の傾向はほとんど同じと云える。 D.Eは|司じ内径で長さが1.35mの同種鋼管の実験であり， Dの実験が先に行なわれている。 Eの実験にうつる前に，同じ油内で金属の強制単擦を行なっているので石油の条件はかなり変っていることが考えられ，そのため流動電流の値が異なっているのだと思われる。しかしこの場台も;措電の傾向はほぼ同じである。a) 帯電傾向流動電流の値は，竜解貨の種類，管の寸法，管の内面の粗さ，油の種類等で大きく変るので，今絶対値は:考えずヲ流速による帯電傾向のみを問題にすればラ図 4に示すように式 (2-6)70.0 8.0 6.0 4.0 2.0 7.0 0.8 0.6 0.4 0.2 + 7.0 一一一位-6)式 I~ょ持十算鍾でe=1.5.A1c= 0.3てy=l∞ーー測定値2.0 4.0 一一流選何々)図 4 帯電傾向Fig. 4. Charging tendency (36) ノマイブ。ヲイ/' 電i在(X731) 金属管を流れる石油の帝電700.0 8.0.01 JP-4 60.0ト StaLnlesssiee I pipe し• 23.8 cm) + 11.4 。74.4× グ.420.0 〉 5.6 ム 7.6 "&. 0.53 椙田ーJi;_'(2-6)i二よ6計茸修70，Or (τe=o・5此 505)てr=700 8.0 6.0 4.0 2.0 7.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.8 1.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 20.0 一一浪速 (1I/s)図-5 ノミイプライン電流の流速による変化Fig. 5. Line current 118. velocity (3i) 543 544 坂 1 威.)仁村正」に「八、ご、 -;"p .~ 1.5秒，1I ('ニ 0.3m/sとした」弱含の計得{r直がぶずI日電傾向とほば・致する。 τi" ，工100砂いであり 'Z"e，lt( の最適 11白;土 τt 二 100 秒として司 L・ Ur • Lを極々変えて数値計算をfjい，その結果から得られた1皇て、ある。従って流動電流l土ムニ 1u2 exp (-0.3/u) {l-exp 1-.t/1.5トexp" -L!100 lI' で与えら，1L，1: i比例定数で油の種なi，電解百の種類‘管内寸法等己変化する。なおう Bustin等i主流動電流として l=kT¥ハ75{l-exp i-L/1Ti}なる式を与えている。ニニt:k :よ比例定数 T;土緩和時間 v 速、 L 長さである。 彼の実験結来も 12-6).i¥:をj単出して， τc=3.5秒 Uc二 0.5m/s とすれば|対 Sにぷすように‘非常に短い金属管を除いてはほとんどよく i文する。 それゆえ，流動電流が流速のl.75采に比(jりするか司 2.0采に比例するかはあまり問題で;主なし市電時間J，電荷分断速度が異なっているに過ぎないとみなせる。(2-6)式は熱電 f放出の場合と類似の式で、あるので，より ・般的な式として提案したい。b) 流れ始めの影響金属管に/tず、る流動電流は， 一般に流J.L始めに大きな流動電流をfLじ，ある時間経たのちほとんと乏の流動電流となる。 この一定になるまでの時間を飽和1時間と呼びらであらわすと，凶 6にノJ'すように流速が速い程7:B は短かくなる。 また図 7iこ刀、ずように，流れ始めの電流んを飽和した屯流 ι との比をとり，これを 7 で示すとう T は流速にあまり関係せず1.5~3.0館7茸i45U ニi十~bO ト72. 電涜卜10坊ト 40 寸 tト8向(Sec) I 1-6 20 +X〈バトシ"，l2 ? ?V NO.640121 e NO.640124-1 X NO. 640ゲ24-2A NO.640ゲ21-1十 NO.640121-2 -• . . × . x ・・ ft 4 叱v.v_ X X ・・，、x・+ . ~V V _.y . + . + . +-. ...+1: v. 令V 2.0 3.0 jえ逮伊is)7.0 2.0 3.0 4.0 7九連 ('!z/s)図-6 飽和時間の流速による変化 図-7 電流比の流速による変化Fig. 7. The ratio of the initial-current to stady current "'8. velocity Fig. 6. Saturation time 'Vs. velocity (38) 金属管企7ft}lるイ--;;~i~ {の市1屯 545 の範刊のほとんど 忘ーなul誌をとる。 L泊、し乾いている金属性二に怜めゴイ市mをほLす場介、土わが)(d-く r/j "二 k きな Ú~{ をとり、 1るにつれて γi土・志の{山首」落忌1く 1，のたさな照!十1よi土ザヲきりしないが司流れkfめは、抵抗がえさく‘ ま LCノヲ丹しれが大27くな〆〉て司l(" じが小さくなってL、るからでィ土なし、かと J思オフれる c ニゴヲ~ þ台ふうのんきな J荒野UI~~'~ 1ff ~二つ L 、ては、全く十位tiがなくライ若電機構を考える i:iこ・つ 0)rがか:) るものと考:えら十:るので，このような岨象のあることを報告しておきたい。 なお Bustin主の測定方法では二円Jl-L宗がiJ1l定され難L、ことも付加しておく。5.結び流動電流i主流速の 2.0乗に比例すると考え (2-6;式でノjくす」と匂1.75采に比例するとした結果も，併電時間町電荷分離速度の違いとして説明でき喝熱電 f放出と組似の式であるのでより般的なものとして提案されている。このュえはうさらにj韮んだ実験こ考察をfj-なう上に次の点で非常に有利であると考えられる。すなわちa) これまでのように流動電流が流速の何乗に比例するかということに注自セずに『そのべき数の遅いとう 2重!言をfrる微量電解賞の種類との関係に新たに注目すべきであむことが明らかにさb) また，新しく導入された電荷分離速度 Uc とt帯電時閉じの値から，使用される石油と管との間の市電機縁をある程度定量的に測定する道が聞かれた。従って，石油に含有されている電解質の種類を測定すれば、，_1-.口己の関係は一層切らかにされて借電機構の理論が進むものと考えられる。また，流れ始めの過渡的現象が流動電流に見られることから，帯電機構の解明に役立つと同時に，他方流体力学の問題にも役立つものと考えられる。終りに，実験にさいして石油の提供をして下さいました日本石油精製株式会社室蘭製油所に感謝の意を表します。また数値計算l土「室蘭工業大学電子計算機室jで計算したものであることを付記致しますっ(昭和41年4月初日受理)文献1) Cooper: Brit. J. Appl. Phys. Supl. No. 2， Sll (1953). 2) Bustin， Culbertson and Schlecker: Proc. A. P. 1.， 37 (lII)，討 (1957).3) Klinkenberg and J. L. Van Der Minne ed.: Electrostatic in the Petroleum Industry p. 45， (Elsevier Pub. Co. 1958). 4) Hampel & Luther: Naturwissenschaften. 42， 252 (1955). 5) Cooper: Brit.]. Appl. Phys. Supl. No. 2， Sll (1953). (39) 546 坂口 威・北村正一6) Klinkenberg and J. L. Van Der Minne ed.: Electrostatic in the Petroleum Industry p. 59， (Elsevier Pub. Co. 1958). 7) Loeb: Progr. Dielectrics. 4， 249 (1962). 8) F. M. Ernsbergr: J. Appl. Phys.， 27， 418 (1956)ー9) Hampel & Luther: Naturwissenschaften， 42司 252(1955). (40) 

On the Electrification of Petroleum Flowing through Metallic Tubes

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