Chương 1: Giới thiệu - Chương 2: Tổng quan - Chương 3: Cơ sở lý thuyết 3 - Chương 4: Xây dựng quy trình kiểm định bồn chứa khí hóa lỏng LPG. - Chương 5: Nghiên cứu thiết kế các thiết bị phụ trợ phục vụ cho quá trình kiểm định. - Chương 6: Kết luận và kiến nghị 4 Chƣơng 2 TỔNG QUAN 2.1 Khí hóa lỏng LPG và bồn chứa khí hóa lỏng LPG: - LPG là tên viết tắt của khí dầu mỏ hóa lỏng (Liquified Petrolium Gas). LPG là sản phẩm thu được từ quá trình khai thác dầu mỏ (khí đồng hành), hoặc từ các mỏ khí thiên nhiên bao gồm các loại hydrocacbon khác nhau, thành phần chủ yếu là propan, butan hoặc hỗn hợp của chúng.
- Hiện nay trên thế giới LPG được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành như: Giao thông vận tải, công nghiệp, nông nghiệp, chế biến thực phẩm. và trở thành loại nhiên liệu không thể thiếu được đối với mỗi quốc gia, đặc biệt với các nước có nền công nghiệp đang phát triển. LPG được sản xuất mạnh ở những nước có tiềm lực lớn về dầu mỏ như: Mỹ, Nga, Canada, Mexico, Venezuela, Indonexia, Angieri, Ả rập Xê Út, Nauy, Iran.[9] - LPG tồn chứa trong các loại bình, bồn áp lực khác nhau và ở trạng thái bão hoà tức là tồn tại ở dạng hơi nên với thành phần không đổi, áp suất bão hoà trong bồn chứa không phụ thuộc vào lượng LPG bên trong mà hoàn toàn phụ thuộc vào nhiệt độ bên ngoài. Chất lỏng nằm dưới phần đáy và hơi nước nằm trên cùng của bồn chứa, nghĩa là khoảng trên mức chất lỏng.
Thông thường các loại bồn chứa chỉ chứa khí lỏng tối đa khoảng 80 ÷ 95 % thể tích bồn, thể tích còn lại dành cho phần hơi có thể giãn nở khi nhiệt độ tăng.1 Bồn chứa khí hóa lỏng LPG 5 2.2 Thành phần của LPG - Thành phần hóa học chủ yếu của LPG là các hydrocacbon dạng parafin có công thức chung là CnH2n+2. LPG là hỗn hợp nhất định của các hydrocacbon như: Propan (C3H8), Propylen (C3H6), Butan (C4H10), Butylen(C4H8). Tuy nhiên vẫn có khả năng xuất hiện vết của etan, etylen hoặc pentan trong LPG thương mại. Butadien 1,3 có thể xuất hiện nhưng không đạt tới tỷ lệ đo được.
Ngoài ra còn có chất tạo mùi Etyl mecaptan ( R – SH ) với tỷ lệ pha trộn nhất định để khi khí rò rỉ có thể nhận biết được bằng khứu giác. [22] - Sản phẩm LPG cũng có thể có hydrocacbon dạng olefin hay không có olefin phụ thuộc vào phương pháp chế biến.3 Một số tính chất hóa lý đặc trƣng của LPG Bảng 2.1: Tính chất của LPG [9] Tính chất Đơn vị đo Propan Butan 0 Điểm sôi 760mmHg C - 42 đến - 45 - 0,5 đến - 0,2 0 Nhiệt bốc cháy C 520 500 Tỷ trọng so với 1,4 đến 1,5 1,9 đến 2 không khí Khối lượng riêng Kg/m3 1,8 2,5 Btu/1b0F 0,6 0,57 Nhiệt dung riêng kJ/kg0C 2,5 2,39 Ẩm nhiệt bay hơi KJ/kg 358,2 372,2 Áp suấ t hơi tại: 150C 6,5 0,8 Bar 200C 9 2,8 250C 19,6 7 Nhiệt trị toàn phần Kcal/kg 12000 11800 Nhiệt trị tối thiểu Kcal/kg 11000 11900 Tỉ lệ thể tích khí Lít/lít 275 235 Giới hạn cháy nổ %V 2 1,8 dưói với không khí Nhiệt độ cháy với 0 C 1967 1973 không khí 0 Nhiệt cháy với 0xi C 2900 2904 Thể tích riêng ở Lít/tấn 1957 ÷ 2019 1723 ÷ 1760 15,60C Lượng không khí cần đốt cháy 1m3 m3 25 khí 7 Từ bảng trên ta thấy rằng, ở thể lỏng cũng như ở thể khí Butan đều nặng hơn Propan nhưng với cùng một trọng lượng thì Propan tạo ra thể khí lớn hơn so với Butan.1 Hệ số giãn nở - Hệ số giãn nở khối của LPG là lượng thể tích tăng lên khi nhiệt độ của vật chất tăng lên 10C. - Sự giãn nở nhiệt của LPG rất lớn (gấp 15 ÷ 20 lần so với nước và lớn hơn rất nhiều so với các sản phẩm dầu mỏ khác). Do đó các bồn chứa, bồn chứa LPG chỉ được chứa đến 80÷ 85 % dung tích toàn phần để có không gian cho LPG lỏng giãn nở khi nhiệt độ tăng lên.
[9] Do hệ số giãn nở của LPG lớn nên đòi hỏi: - Phải giữ khoảng trống phù hợp trong các bồn chứa, bình chứa; lắp đặt các van an toàn cho bồn chứa, các ống dẫn. - Đo một cách chính xác nhiệt độ sản phẩm trong kho chứa để khi vận chuyển thì điều khiển được mức dự trữ, hư hao như quy định.2 Tỷ trọng - Tỷ trọng thể lỏng: Ở điều kiện 150C, 760mmHg, tỷ trọng của propan là 0,51; còn butan là 0,58. Propan và butan nhẹ hơn nước nên nó nổi lên trên mặt nước.[9] - Tỷ trọng thể hơi: Ở điều kiện 150C, 760mmHg, tỷ trọng của propan hơi bằng 1,50 và butan hơi bằng 2. Như vậy ở thể hơi, tỷ trọng của LPG gấp gần 2 lần tỷ trọng của không khí.[9] Như vậy khi LPG rò rỉ, khí thoát ra nặng hơn so với không khí sẽ lan truyền dưới mặt đất ở nơi trũng như rãnh nước, hố gas.
Để đảm bảo an toàn khi có rò rỉ cần tạo điều kiện thông thoáng phần dưới không gian sử dụng hoặc chứa LPG.3 Giới hạn cháy nổ - Hỗn hợp hơi nhiên liệu với không khí có thể cháy nổ khi gặp lửa. Hỗn hợp chỉ cháy nổ khi nó nằm trong một giới hạn nào đó về nhiệt độ, áp suất và thành phần. Vùng cháy nổ có giới hạn trên và giới hạn dưới về nồng độ. Giới hạn dưới ứng với nồng độ nhiên liệu tối thiểu trong hỗn hợp mà ở đó hỗn hợp cháy khi gặp lửa.
Giới hạn trên ứng với nồng độ cực đại của nhiên liệu để nhiên liệu cháy khi gặp lửa. Nếu quá giới hạn trên hỗn hợp không cháy nổ vì thiếu oxy, còn thấp hơn giới hạn dưới hỗn hợp 8 quá nghèo nhiên liệu phản ứng cháy không xảy ra được. Giới hạn cháy nổ được thể hiện ở bảng sau: Bảng 2.2: Giới hạn cháy nổ [9] Giới hạn dưới Giới hạn trên Thành phần ( % thể tích) ( % thể tích) Propan thương phẩm 2,2 10,0 Butan thương phẩm 1,8 9,0 Khí than metan 5,0 40,0 Khí thiên nhiên 5,0 15,0 Đối với LPG dễ đốt cháy và phát nổ nếu được trộn lẫn với không khí theo tỷ lệ LPG/ không khí: 5 – 15 % tương đương với LPG/ Oxy là 0,25 – 0,75.4 Nhiệt độ cháy - Hỗn hợp LPG/không khí cháy sinh ra một lượng nhiệt rất lớn và tương đối sạch không để lại tạp chất.3: Nhiệt cháy và nhiệt trị của LPG [9] Nhiệt độ cháy Nhiệt trị LPG ( kcal/kg) lớn nhất của Sản phẩm LPG/ không khí Lớn nhất Nhỏ nhất (0C) C3H8 1967 22000 11000 C3H6 2050 C4H10 1973 11800 10900 C4H8 2033 2.5 Nhiệt độ tự bắt cháy - Nhiệt độ tự bắt cháy là nhiệt độ mà tại đó phản ứng cháy tự xảy ra đối với hỗn hợp không khí, nhiên liệu (hoặc oxy/ nhiên liệu). Nhiệt độ bắt cháy tối thiểu phụ thuộc vào thiết bi ̣thử, tỷ lệ không khí/nhiên liệu, áp suất hỗn hợp.4: Nhiệt độ tự bắt cháy của một số loại nhiên liệu tại áp suất khí quyển [9] Nhiệt độ cháy tối thiểu ( 0C ) Số thứ tự Nhiên liệu Trong Oxy Trong không khí ( O2) 1 Propan 400 – 580 470 – 575 2 Butan 410 – 550 280 – 550 3 Acetylen 305 – 500 295 – 440 4 Hydro 550 – 590 560 5 Dầu DO 250 – 340 >240 6 Xăng 280 – 430 >240 7 Dầu hỏa >250 >240 8 Metan 630 – 750 2.4 Các ứng dụng quan trọng của LPG - Thành phần chủ yếu của LPG là propan và butan, được sản xuất bằng cách nén khí đồng hành hoặc khí từ các quá trình chế biến dầu mỏ ở các nhà máy lọc dầu.
Việc ứng dụng LPG thương phẩm thường phân chia thành loại chính : + Propan thương phẩm: Làm nhiên liệu cho động cơ hoạt động ở những điều kiện khắc nghiệt của môi trường (áp suất cao, nhiệt độ thấp) + Butan thương phẩm: Sử dụng làm nhiên liệu đòi hỏi sự bay hơi trung bình. + Propan chuyên dùng: Là sản phẩm có chất lượng cao sử dụng trong các động cơ đốt trong, đòi hỏi nhiên liệu có khả năng chống kích nổ cao. Hỗn hợp propan – butan: Sử dụng làm nhiên liệu đòi hỏi sự bay hơi trung bình. Với những đặc tính trên, LPG được sử dụng rất rộng rãi trong mọi lĩnh vực của đời sống.
Một cách tương đối có thể phân chia các ứng dụng của LPG như sau : - Sử dụng LPG trong dân dụng: Sử dụng trong nấu nướng, thay thế điện trong các bình nước nóng, ứng dụng trong các hệ thống sưởi ấm nhà, chiếu sáng, giặt là. - Sử dụng LPG trong thương mại: Sử dụng trong các bếp công nghiệp, lò nướng, đun nước nóng trong các nhà hàng, trong công nghiệp chế biến thực phẩm. - Sử dụng LPG trong công nghiệp: Sử dụng trong công nghiệp gia công kim loại, hàn cắt thép, nấu và gia công thủy tinh, lò nung sản phẩm silicat, khử trùng đồ hộp, lò đốt rác, sấy màng sơn. 10 - Sử dụng LPG trong nông nghiệp: Sử dụng để sản xuất thức ăn gia súc, chế biến, sấy nông sản, ngũ cốc, thuốc lá, sấy chè, cà phê, lò ấp trứng, đốt cỏ… - Sử dụng LPG trong giao thông: Là nhiên liệu lý tưởng thay thế cho động cơ đốt trong vì trị số ốc tan cao, giá thành rẻ, ít gây ô nhiễm môi trường, đơn giản hóa cấu tạo động cơ.
Nó làm giảm đáng kể sự thoát khí ở xe tải, làm nhiên liệu đốt trong thay xăng cho các xe du lịch, xe taxi. Ở một số nước tiên tiến dùng LPG hoá lỏng thay xăng pha chế vừa hạn chế độc hại trong sử dụng đối với con người, vừa kinh tế.1 Ảnh hƣởng của các tính chất đến việc tàng chứa và vận chuyển LPG. - LPG có áp suất hơi bão hòa lớn hơn 40 psi (2,7atm) tại 1000F,nhiệt độ bồn thường 250C, áp suất 1bar thì LPG tồn tại ở dạng khí, chúng có thể hóa lỏng bằng cách làm lạnh dưới nhiệt độ điểm sôi (áp suất thường) hay nén trên áp suất hơi bão hòa. Nhưng các chất khí hóa lỏng này sẽ hóa hơi ngay sau khi thoát ra ngoài ở nhiệt độ thường.
Tính chất này cho phép ta vận chuyển, tàng trữ LPG dưới dạng lỏng nhưng sử dụng chúng dưới dạng khí. Nhiệt độ này đặc biệt quan trọng trong việc lựa chọn vật liệu chế tạo bồn chứa và trong việc thiết lập đập chống lan chất lỏng khi xảy ra sự cố. - Khi tồn tại ở trạng thái lỏng thì tỷ trọng của LPG chỉ bằng ½ so với tỷ trọng của nước, nước luôn luôn nằm phía đáy của bồn. Tính chất này được ứng dụng khi thiết kế đường ống xả nước cho bồn.