Mô Phỏng và Đánh Giá Sự Phân Tán LPG Vào Môi Trường Trong Trạng Thái Chuyển Tiếp Sử Dụng CFD

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật hóa học nghiên cứu mô phỏng và đánh giá sự phân tán LPG vào môi trường ở trạng thái chuyển tiếp bằng phương pháp CFD.

• Tác giả: Le Ngoc Minh Khoi
• Người hướng dẫn: Assoc. Tran Tan Viet, Ph.D.
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology
• Chuyên ngành: Chemical Engineering
• Đề tài: Simulation and Evaluation of LPG Dispersion into the Environment in Transient State via Computational Fluid Dynamics (CFD)
• Loại tài liệu: master’s thesis
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• ACKNOWLEDGMENT
• ABSTRACT
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
• COMMITENT OF THE THESIS’AUTHOR
• 1. CHAPTER 2: THE OVERVIEW OF THE DISPERSION SIMULATION
• 2.1. Overview of the CFD simulation
• 2.2. Computational Fluid Dynamic (CFD)
• 2.3. Working principle of ANSYS CFD
• 2.4. An overview of CFD simulation
• 2.5. Application of ANSYS FLUENT software in CFD
• 2.6. Application of some modules in ANSYS FLUENT software
• 2.7. Current research on CFD simulation of emission accidents
• 3. CHAPTER 3: MATHEMATICAL MODELING
• 4. CHAPTER 4: CFD SETUP AND SIMULATION
• 4.1. CFD simulation setup
• 4.2. Properties of materials
• 4.3. Properties of the simulation
• 5. CHAPTER 5: RESULTS AND DISCUSSION
• 5.1. Selection of the grid for the simulation model
• 5.2. Meshing for the computational simulation
• 5.3. Determining the flammability range of the gas mixture
• 5.4. The simulation computational model in transient-state
• 5.5. LPG behavior during the dispersion with different wind velocities
• 5.6. Analysis of average LPG concentration in points
• 5.7. Wind velocity distribution during the dispersion
• 5.8. Insights of velocity contour on LPG dispersion and leakage
• 6. CHAPTER 6: CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS

Tóm tắt

I. Mô phỏng phân tán LPG

Mô phỏng phân tán LPG là trọng tâm của nghiên cứu này, sử dụng CFD (Computational Fluid Dynamics) để phân tích sự lan tỏa của khí LPG trong môi trường. Nghiên cứu tập trung vào việc mô phỏng sự rò rỉ LPG từ một bồn chứa 33 m³ với lỗ thủng 3 mm, xem xét các yếu tố như tốc độ gió và thời gian phát tán. Mô phỏng CFD được thực hiện trên phần mềm ANSYS FLUENT, giúp dự đoán hành vi của LPG trong các điều kiện khác nhau. Kết quả cho thấy sự phân tán LPG phụ thuộc đáng kể vào tốc độ gió, với sự ổn định nồng độ đạt được sau 200 giây.

1.1. Mô hình hóa phân tán khí

Mô hình hóa phân tán khí được thực hiện bằng cách sử dụng các phương trình động lực học chất lỏng để mô tả sự lan tỏa của LPG. Nghiên cứu xem xét các lớp ổn định khí quyển theo thang Pasquill-Gifford, từ A đến F, để đánh giá ảnh hưởng của tốc độ gió từ 1.0 m/s đến 10.0 m/s. Kết quả mô phỏng cho thấy sự dao động nồng độ LPG tại các thời điểm t = 1s, 5s, và 15s, với sự ổn định đạt được ở t = 200s.

1.2. Ảnh hưởng của tốc độ gió

Tốc độ gió là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự phân tán LPG. Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng ở tốc độ gió thấp (1 m/s), LPG có xu hướng phân tán theo chiều dọc, trong khi ở tốc độ cao (10 m/s), khí phân tán nhanh hơn và giảm nồng độ đáng kể. Điều này giúp hiểu rõ hơn về cách LPG lan tỏa trong môi trường và hỗ trợ việc đưa ra các biện pháp an toàn hiệu quả.

II. Đánh giá phân tán LPG

Đánh giá phân tán LPG tập trung vào việc phân tích kết quả mô phỏng để đưa ra các nhận định về an toàn và rủi ro. Nghiên cứu chỉ ra rằng sự phân tán LPG có thể gây ra các đám mây khí nguy hiểm, đe dọa đến sức khỏe con người và môi trường. Đánh giá hiệu suất CFD cho thấy mô hình này có độ chính xác cao trong việc dự đoán hành vi của LPG, đặc biệt trong các tình huống rò rỉ. Kết quả này có thể được sử dụng để cải thiện các quy định an toàn và hỗ trợ các biện pháp ứng phó khẩn cấp.

2.1. Phân tích nồng độ LPG

Phân tích nồng độ LPG được thực hiện bằng cách so sánh kết quả mô phỏng tại các thời điểm khác nhau. Nghiên cứu chỉ ra rằng nồng độ LPG giảm dần theo thời gian và tốc độ gió, với sự ổn định đạt được sau 200 giây. Điều này giúp xác định các khu vực nguy hiểm và đưa ra các biện pháp phòng ngừa phù hợp.

2.2. Ứng dụng thực tế

Ứng dụng thực tế của nghiên cứu này là hỗ trợ các cơ quan quản lý trong việc tuân thủ các quy định an toàn cháy nổ. Kết quả mô phỏng cung cấp dữ liệu quan trọng để đánh giá rủi ro và triển khai các biện pháp ứng phó khẩn cấp, đảm bảo an toàn cho các cơ sở công nghiệp và khu vực xung quanh.

III. Môi trường trạng thái chuyển tiếp

Môi trường trạng thái chuyển tiếp là yếu tố quan trọng trong nghiên cứu này, đặc biệt khi xem xét sự phân tán LPG trong các điều kiện thay đổi theo thời gian. Nghiên cứu sử dụng CFD để mô phỏng quá trình phân tán LPG trong trạng thái chuyển tiếp, từ lúc rò rỉ đến khi đạt trạng thái ổn định. Kết quả cho thấy sự dao động nồng độ LPG trong giai đoạn đầu, với sự ổn định đạt được sau 200 giây. Điều này giúp hiểu rõ hơn về hành vi của LPG trong các tình huống thực tế.

3.1. Tính toán động lực học chất lỏng

Tính toán động lực học chất lỏng được sử dụng để mô tả quá trình phân tán LPG trong môi trường. Nghiên cứu xem xét các yếu tố như tốc độ gió, thời gian và khoảng cách để đánh giá sự lan tỏa của khí. Kết quả mô phỏng cho thấy sự ổn định nồng độ đạt được sau 200 giây, giúp xác định các khu vực nguy hiểm và đưa ra các biện pháp phòng ngừa.

3.2. Phân tích hiệu suất CFD

Phân tích hiệu suất CFD cho thấy mô hình này có độ chính xác cao trong việc dự đoán hành vi của LPG trong trạng thái chuyển tiếp. Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để cải thiện các quy định an toàn và hỗ trợ các biện pháp ứng phó khẩn cấp, đảm bảo an toàn cho các cơ sở công nghiệp và khu vực xung quanh.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Liquefied Petroleum Gas (LPG) là nguồn năng lượng sạch và hiệu quả, được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp, giao thông và dân dụng. Tại Việt Nam, với sự phát triển mạnh mẽ của các nhà máy sản xuất và nhu cầu sử dụng LPG ngày càng tăng, việc đảm bảo an toàn trong lưu trữ và vận chuyển LPG trở thành vấn đề cấp thiết. Theo ước tính, một bồn chứa LPG dung tích khoảng 33 m³ có thể gặp nguy cơ rò rỉ khí do các sự cố như lỗ thủng đường ống kích thước 3 mm, dẫn đến sự phát tán nhanh chóng của khí LPG vào môi trường xung quanh. Sự phát tán này có thể tạo thành các đám mây khí nguy hiểm, gây ra các tai nạn cháy nổ nghiêm trọng, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và môi trường.

Mục tiêu nghiên cứu là mô phỏng và đánh giá quá trình phát tán LPG trong trạng thái biến đổi theo thời gian (transient state) bằng phương pháp động lực học lưu chất tính toán (CFD) sử dụng phần mềm ANSYS FLUENT. Nghiên cứu tập trung vào các yếu tố như tốc độ phát thải khí, ảnh hưởng của tốc độ gió tự nhiên dao động từ 1 m/s đến 10 m/s theo các lớp ổn định khí quyển Pasquill-Gifford từ A đến F, nhằm phân tích sự thay đổi nồng độ LPG tại các thời điểm khác nhau (t = 1s, 5s, 15s, 200s). Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại khu vực nhà máy sản xuất tại tỉnh Bình Dương, Việt Nam, với mô hình bồn chứa LPG và khu vực xung quanh được xây dựng trong miền tính toán kích thước 25 m × 20 m × 20 m.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp dữ liệu định lượng về đặc tính phát tán LPG, hỗ trợ các cơ quan quản lý trong việc xây dựng và điều chỉnh các quy định an toàn cháy nổ, đồng thời đề xuất các biện pháp ứng phó khẩn cấp hiệu quả nhằm bảo vệ an toàn cho nhà máy và khu vực lân cận. Kết quả nghiên cứu cũng góp phần nâng cao nhận thức về rủi ro tiềm ẩn từ các sự cố rò rỉ LPG, từ đó giảm thiểu thiệt hại về người và môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Mô hình phân tán Gaussian: Mô hình này giả định nồng độ khí phát tán theo phân bố Gaussian theo cả phương ngang và phương đứng, được sử dụng để mô tả sự lan tỏa của đám mây khí LPG từ điểm rò rỉ trong không khí. Công thức tính nồng độ trung bình tại vị trí (x, y, z) được áp dụng theo các tham số như tốc độ gió, chiều cao phát thải, và các hệ số phân tán ngang, đứng.

• Động lực học lưu chất tính toán (CFD): CFD là phương pháp số giải các phương trình bảo toàn khối lượng, động lượng, năng lượng và thành phần hóa học trong dòng chảy khí. Phương pháp này sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn (FVM) để phân chia miền tính toán thành các ô lưới nhỏ, giải các phương trình Navier-Stokes nhằm mô phỏng chính xác dòng khí phát tán.

• Mô hình turbulence Realizable k-ε: Đây là mô hình mô phỏng dòng chảy hỗn loạn được lựa chọn trong nghiên cứu do khả năng dự đoán chính xác các dòng chảy có độ cong lớn hoặc chuyển động xoáy, phù hợp với đặc tính phát tán khí nặng hơn không khí như LPG. Mô hình này cải thiện các hằng số và phương trình so với mô hình k-ε tiêu chuẩn, giúp mô phỏng sự khuếch tán và vận tốc phát tán khí hiệu quả hơn.

Các khái niệm chính bao gồm: nồng độ khối lượng LPG, tốc độ gió, trạng thái khí quyển theo Pasquill-Gifford, trạng thái biến đổi theo thời gian (transient state), và phạm vi cháy nổ (flammability range).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ mô phỏng CFD sử dụng phần mềm ANSYS FLUENT phiên bản mới nhất. Mô hình hình học 3D của bồn chứa LPG và khu vực xung quanh được xây dựng trong phần mềm SpaceClaim với kích thước miền tính toán 25 m × 20 m × 20 m. Lỗ rò rỉ giả định có đường kính 3 mm, khí LPG được giả định là khí không nén, phát thải liên tục trong khoảng thời gian 1000 giây.

Phương pháp phân tích sử dụng solver dựa trên phương pháp thể tích hữu hạn, giải các phương trình bảo toàn khối lượng, động lượng, năng lượng và thành phần khí. Mô hình turbulence Realizable k-ε được áp dụng để mô phỏng dòng chảy hỗn loạn. Các điều kiện biên bao gồm vận tốc gió tự nhiên từ 1 m/s đến 10 m/s, theo các lớp ổn định khí quyển Pasquill-Gifford từ A đến F, được thiết lập tại cửa vào miền tính toán.

Cỡ mẫu mô phỏng gồm hàng triệu ô lưới đa diện (polyhedral mesh) được tinh chỉnh để đảm bảo độ chính xác và ổn định của kết quả. Phương pháp chọn mẫu là lưới không cấu trúc nhằm mô phỏng chính xác các hình dạng phức tạp của bồn chứa và môi trường xung quanh. Quá trình mô phỏng được thực hiện theo trạng thái biến đổi theo thời gian, thu thập dữ liệu nồng độ LPG và vận tốc khí tại các thời điểm t = 1s, 5s, 15s, 200s và 1000s.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Sự biến đổi nồng độ LPG theo thời gian và tốc độ gió: Kết quả mô phỏng cho thấy nồng độ LPG tại các điểm khảo sát dao động mạnh trong khoảng thời gian đầu (t = 1s đến 15s), đặc biệt khi tốc độ gió là 5 m/s và 10 m/s. Tuy nhiên, đến t = 200s, nồng độ và vận tốc khí ổn định, đạt trạng thái gần như không đổi, phản ánh trạng thái ổn định của quá trình phát tán.

2. Ảnh hưởng của tốc độ gió đến tỷ lệ khối lượng LPG: Tỷ lệ khối lượng LPG giảm rõ rệt khi tốc độ gió tăng từ 1 m/s lên 10 m/s. Ở tốc độ gió thấp, khí LPG có xu hướng phát tán theo chiều dọc, tạo thành đám mây khí dày đặc gần mặt đất. Ngược lại, ở tốc độ gió cao, khí phân tán nhanh hơn, giảm nguy cơ tích tụ khí nặng gây cháy nổ.

3. Phân bố vận tốc khí trong miền tính toán: Vận tốc khí tại các điểm khảo sát tăng theo tốc độ gió đầu vào, với sự phân bố vận tốc đồng đều hơn ở các vùng xa điểm rò rỉ. Biểu đồ vận tốc thể hiện sự chuyển động khí chủ yếu theo hướng gió, với các vùng xoáy và đứt gãy vận tốc xuất hiện gần điểm rò rỉ do ảnh hưởng của địa hình và bồn chứa.

4. Khoảng cách phát tán và phạm vi cháy nổ: Mô hình xác định được phạm vi phát tán khí LPG vượt quá giới hạn dưới của phạm vi cháy nổ (Lower Flammability Limit - LFL) trong bán kính khoảng 10-15 m tùy theo điều kiện gió. Điều này giúp đánh giá nguy cơ cháy nổ và thiết kế các biện pháp phòng ngừa phù hợp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên liên quan trực tiếp đến đặc tính vật lý của LPG là khí nặng hơn không khí, dễ tích tụ gần mặt đất khi gió yếu. Tốc độ gió cao làm tăng sự khuếch tán và pha loãng khí, giảm nồng độ nguy hiểm. So sánh với các nghiên cứu trước đây về khí hydro và ammonia cho thấy mô hình Realizable k-ε trong ANSYS FLUENT cho kết quả tương đồng về ảnh hưởng của gió và trạng thái khí quyển đến sự phát tán khí.

Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua các biểu đồ nồng độ LPG theo thời gian tại các điểm khảo sát, bản đồ phân bố nồng độ và vận tốc khí trong miền tính toán, giúp trực quan hóa quá trình phát tán và hỗ trợ đánh giá rủi ro. Nghiên cứu cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tuân thủ các quy định về khoảng cách an toàn và thiết kế hệ thống thông gió nhằm giảm thiểu nguy cơ cháy nổ.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường giám sát và kiểm tra định kỳ hệ thống bồn chứa LPG nhằm phát hiện sớm các lỗ rò rỉ nhỏ (khoảng 3 mm) để ngăn ngừa sự phát tán khí nguy hiểm, giảm thiểu rủi ro cháy nổ trong vòng 6 tháng tới, do bộ phận vận hành nhà máy thực hiện.

2. Thiết kế và lắp đặt hệ thống thông gió tự nhiên hoặc cưỡng bức tại khu vực bồn chứa LPG, đảm bảo tốc độ gió tối thiểu 3 m/s để tăng cường khuếch tán khí, giảm nồng độ LPG tích tụ, hoàn thành trong 12 tháng, phối hợp giữa phòng kỹ thuật và an toàn.

3. Xây dựng quy trình ứng phó khẩn cấp dựa trên mô hình CFD để xác định vùng nguy hiểm và các biện pháp cách ly, sơ tán nhân viên khi xảy ra sự cố rò rỉ khí, áp dụng trong vòng 3 tháng, do bộ phận an toàn chịu trách nhiệm.

4. Đào tạo nâng cao nhận thức và kỹ năng xử lý sự cố cho nhân viên vận hành về đặc tính phát tán LPG và các biện pháp phòng ngừa cháy nổ, tổ chức định kỳ hàng năm, do phòng nhân sự phối hợp với phòng an toàn tổ chức.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các kỹ sư và chuyên gia an toàn trong ngành công nghiệp hóa chất và năng lượng: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu mô phỏng chi tiết về phát tán khí LPG, hỗ trợ thiết kế hệ thống an toàn và đánh giá rủi ro cháy nổ.

2. Cơ quan quản lý nhà nước về an toàn cháy nổ và môi trường: Thông tin về ảnh hưởng của tốc độ gió và trạng thái khí quyển giúp xây dựng tiêu chuẩn, quy định phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam.

3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật hóa học, môi trường và cơ khí: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng CFD trong mô phỏng phát tán khí, phương pháp lựa chọn mô hình turbulence và phân tích kết quả.

4. Doanh nghiệp sản xuất và vận hành nhà máy sử dụng LPG: Nghiên cứu giúp đánh giá nguy cơ rò rỉ khí, từ đó đề xuất các biện pháp phòng ngừa và ứng phó sự cố hiệu quả, giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản.

Câu hỏi thường gặp

1. CFD là gì và tại sao được sử dụng trong nghiên cứu phát tán LPG?
   CFD (Computational Fluid Dynamics) là phương pháp số mô phỏng dòng chảy và truyền nhiệt, giúp phân tích chi tiết quá trình phát tán khí LPG trong môi trường phức tạp. Ví dụ, CFD cho phép dự đoán nồng độ khí tại các vị trí khác nhau theo thời gian, hỗ trợ đánh giá rủi ro chính xác hơn so với phương pháp truyền thống.

2. Tại sao chọn mô hình turbulence Realizable k-ε trong mô phỏng?
   Mô hình Realizable k-ε cải thiện độ chính xác so với mô hình tiêu chuẩn bằng cách tính toán hiệu quả các dòng chảy xoáy và có độ cong lớn, phù hợp với đặc tính phát tán khí nặng như LPG. Nghiên cứu cho thấy mô hình này dự đoán tốt sự phân tán và vận tốc khí trong các điều kiện gió khác nhau.

3. Ảnh hưởng của tốc độ gió đến sự phát tán LPG như thế nào?
   Tốc độ gió cao làm tăng sự khuếch tán và pha loãng khí LPG, giảm nồng độ nguy hiểm và phạm vi tích tụ khí. Ngược lại, gió yếu khiến khí dễ tích tụ gần mặt đất, tăng nguy cơ cháy nổ. Ví dụ, khi gió tăng từ 1 m/s lên 10 m/s, tỷ lệ khối lượng LPG giảm đáng kể.

4. Phạm vi cháy nổ của LPG được xác định dựa trên tiêu chí nào?
   Phạm vi cháy nổ được xác định dựa trên nồng độ khí LPG vượt quá giới hạn dưới của phạm vi cháy nổ (Lower Flammability Limit - LFL). Mô hình CFD giúp xác định bán kính vùng nguy hiểm, từ đó thiết kế các biện pháp cách ly và phòng cháy phù hợp.

5. Nghiên cứu này có thể áp dụng thực tiễn như thế nào?
   Kết quả mô phỏng cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế hệ thống an toàn, quy trình ứng phó sự cố và đào tạo nhân viên. Ví dụ, doanh nghiệp có thể sử dụng mô hình để đánh giá rủi ro khi xây dựng bồn chứa LPG mới hoặc cải tiến hệ thống thông gió hiện có.

Kết luận

• Nghiên cứu đã phát triển thành công mô hình CFD mô phỏng sự phát tán LPG trong trạng thái biến đổi theo thời gian, sử dụng phần mềm ANSYS FLUENT và mô hình turbulence Realizable k-ε.
• Kết quả cho thấy tốc độ gió và trạng thái khí quyển ảnh hưởng mạnh đến nồng độ và phạm vi phát tán khí LPG, với nồng độ khí ổn định sau khoảng 200 giây.
• Tỷ lệ khối lượng LPG giảm khi tốc độ gió tăng, khí có xu hướng phát tán theo chiều dọc ở gió thấp và phân tán nhanh hơn ở gió cao.
• Nghiên cứu cung cấp dữ liệu quan trọng hỗ trợ xây dựng các biện pháp an toàn, quy trình ứng phó khẩn cấp và tuân thủ quy định về phòng cháy chữa cháy.
• Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng mô hình cho các kích thước rò rỉ khác nhau, tích hợp các yếu tố môi trường như nhiệt độ và độ ẩm, đồng thời thử nghiệm thực tế để xác thực mô hình.

Để đảm bảo an toàn trong vận hành và phát triển bền vững, các nhà quản lý và kỹ sư nên áp dụng kết quả nghiên cứu này trong thiết kế và vận hành các cơ sở sử dụng LPG.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY HO CHI MINH CITY HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY LE NGOC MINH KHOI SIMULATION AND EVALUATION OF LPG DISPERSION INTO THE ENVIRONMENT IN TRANSIENT STATE VIA COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD) Major: Chemical Engineering Major code: 8520301 MASTER’S THESIS HO CHI MINH CITY, July – 2024 THIS THESIS IS COMPLETED AT HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY – VNU-HCM Supervisor: Assoc. Tran Tan Viet, Ph. Examiner 1: Nguyen Bui Huu Tuan, Ph. Examiner 2: Nguyen Thanh Sang, Ph.

This master’s thesis is defended at HCM City University of Technology, VNU- HCM City on July 1, 2024. Master’s Thesis Committee: 1. Chairman of Master’s Thesis: Bui Ngoc Pha, Ph. Examiner 1: Nguyen Bui Huu Tuan, Ph.

Examiner 2: Nguyen Thanh Sang, Ph. Scientific Secretary: Pham Hoang Huy Phuoc Loi, Ph. Committee Member: Assoc. Tran Tan Viet, Ph.

Approval of the Chairman of Master’s Thesis Committee and Dean of Faculty of Chemical Engineering after the thesis being corrected (If any). CHAIRMAN OF DEAN OF FACULTY OF THESIS COMMITTEE CHEMICAL ENGINEERING (Signature with full name) (Signature with full name) VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY HCM SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Independence – Freedom – Happiness ----------------------------- ------------------ THESIS TASK ASSIGNMENT Full name: Le Ngoc Minh Khoi Student ID: 2370074 Date of birth: 29/03/2001 Place of birth: Ho Chi Minh City Department: Faculty of Chemical Engineering Major: Chemical Engineering Major Code: 8520301 I. TITLE In English: Simulation and Evaluation of LPG Dispersion into the Environment in Transient State via Computational Fluid Dynamics (CFD). In Vietnamese: Mô Phỏng và Đánh Giá Sự Phân Tán LPG vào Môi Trường ở Trạng Thái Biến Đổi theo Thời Gian thông qua Động Lực Học Lưu Chất Tính Toán (CFD).

ASSIGNMENT’S OBJECTIVES: + Performance of computational fluid dynamic (CFD) in LPG dispersion; ANSYS FLUENT software; LPG tank; accidental leak and dispersion. + Propose the models for the dispersion process of LPG in transient state. + Conduct the simulation on ANSYS FLUENT software. + Analysis of the result.

START DATE: 01/2024 IV. SCIENTIFIC INSTRUCTOR: Assoc. Tran Tan Viet, Ph. Ho Chi Minh City, July 1st, 2024 HEAD OF DEPARTMENT SCIENTIFIC INSTRUCTOR (Signature with full name) (Signature with full name) DEAN OF FACULTY OF CHEMICAL ENGINEERING (Signature with full name) i ACKNOWLEDGMENT First of all, I would like to express my gratitude to my instructor, Associate Professor, Dr.

Tran Tan Viet, who was always willing to spend time giving me practical advice and professional guidance throughout the process of this thesis. The invaluable support and inspiration from my instructor have been instrumental, providing the motivation I needed to complete this thesis. Secondly, I extend my gratitude to MSc. Duong Hoang Phi Yen, my dedicated advisor, for her unwavering support throughout this research endeavor.

Additionally, I wish to express my profound appreciation to our other advisor, B. Le Tan Duc, whose guidance and inspiration have been invaluable. Their mentorship, instruction, and feedback have greatly contributed to my personal growth and motivation throughout this journey. Besides, I want to give my sincere thanks to B.

Dang Thanh Nguyen, B. Bao Quyen and my dearest friends, who provided invaluable supports throughout the thesis process. Thirdly, I wish to convey my heartfelt appreciation to my family, whose unwavering encouragement and support have been instrumental in empowering me to persevere through the completion of this thesis. I am deeply grateful to my father, mother, and sister for their steadfast backing, which provided silent motivation and propelled me to reach this significant milestone in my life.

Last but not least, I would like to show my appreciation to Ho Chi Minh City University of Technology, the Faculty of Chemical Engineering. Their support has been essential to helping me finish the task. I would also feel pleased to get advice and ideas from the instructors as I finish the project, which might have some mistakes. HCMC, July 2024 Le Ngoc Minh Khoi ii ABSTRACT This study evaluates the safety implications of the release and dispersion of liquefied petroleum gas (LPG) resulting from a leak in a pipeline, specifically a 3 mm puncture occurring during the operation of a 33 m³ LPG tank.

When such a puncture occurs, the process equipment can rapidly discharge hazardous substances, forming gas clouds that can spread throughout the workplace and local area. A computational fluid dynamics (CFD) model was developed to analyze the dispersion characteristics of LPG, taking into account various release rates and the influence of natural wind speeds ranging from 1.0 m/s, aligned with different atmospheric stability classes according to the Pasquill-Gifford scale from A to F. The study simulated LPG concentrations at time intervals of t = 1s, 5s, and 15s, revealing significant fluctuations due to varying wind speeds of 5 m/s and 10 m/s. However, by t = 200s, the concentration and velocity profiles stabilized, indicating a steady-state condition.

The findings also demonstrate that the LPG mass fraction decreases with increasing wind speed, with LPG tending to disperse vertically at lower wind speeds and breaking down more quickly at higher velocities. This indicates that wind speed significantly influences LPG dispersion from the release point over different distances. These insights can assist authorities in adhering to fire safety regulations and implementing effective emergency response measures, ensuring the safety of both the operational facilities and surrounding industrial areas. Additionally, this research enhances the understanding of LPG emission behavior in the event of a leak, highlighting potential risks to humans and the environment.

iii TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu này đánh giá các tác động an toàn của việc phát thải và phát tán khí hóa lỏng (LPG) do rò rỉ từ đường ống, cụ thể là giả sử một lỗ thủng 3 mm xảy ra trong quá trình vận hành bồn chứa LPG dung tích 33 m³. Khi xảy ra lỗ thủng như vậy, thiết bị quy trình có thể nhanh chóng thải ra các chất nguy hiểm, hình thành các đám mây khí có thể lan rộng khắp nơi làm việc và khu vực lân cận. Một mô hình động lực học chất lỏng tính toán (CFD) đã được phát triển để phân tích đặc điểm phát tán của LPG, xem xét các tốc độ phát thải khác nhau và ảnh hưởng của tốc độ gió tự nhiên dao động từ 1,0 đến 10,0 m/s, phù hợp với các lớp ổn định khí quyển khác nhau theo thang đo Pasquill-Gifford từ A đến F. Nghiên cứu đã mô phỏng nồng độ LPG tại các khoảng thời gian t = 1s, 5s và 15s, cho thấy sự dao động đáng kể do các tốc độ gió khác nhau là 5 m/s và 10 m/s.

Tuy nhiên, đến t = 200s, các trường nồng độ và vận tốc đã ổn định, chỉ ra một điều kiện trạng thái thay đổi không đáng kể. Các phát hiện cũng cho thấy rằng tỷ lệ khối lượng LPG giảm khi tốc độ gió tăng, với LPG có xu hướng phát tán theo chiều dọc ở tốc độ gió thấp hơn và phân tán nhanh hơn ở tốc độ cao hơn. Điều này chỉ ra rằng tốc độ gió ảnh hưởng đáng kể đến sự phát tán của LPG từ điểm phát thải qua các khoảng cách khác nhau. Những hiểu biết này có thể hỗ trợ các cơ quan trong việc tuân thủ các quy định về an toàn cháy nổ và triển khai các biện pháp ứng phó khẩn cấp hiệu quả, đảm bảo an toàn cho cả các cơ sở vận hành và khu vực công nghiệp xung quanh.

Ngoài ra, nghiên cứu này còn nâng cao hiểu biết về hành vi phát thải LPG trong trường hợp rò rỉ, làm nổi bật các nguy cơ tiềm ẩn đối với con người và môi trường. iv COMMITENT OF THE THESIS’AUTHOR As the author of this thesis, I am deeply committed to advancing scientific understanding and contributing meaningfully to my field in the most sincere way. This dedication is reflected in the rigorous research methods I used, thorough analysis of data, and meticulous attention to detail throughout my dissertation. My aim is to fill important gaps in the existing literature, providing fresh insights and innovative perspectives that can advance future research.

Maintaining the highest ethical standards, I ensure that my findings are presented with transparency and integrity, promoting trust and credibility in my work. This commitment is also evident in my perseverance through challenges and constant pursuit of excellence. By striving to push the boundaries of knowledge, I hope to make a significant impact on both the academic community and the broader social context. v TABLE OF CONTENTS ABSTRACT.

iii TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ. iv COMMITENT OF THE THESIS’AUTHOR. v TABLE OF CONTENTS. vi LIST OF FIGURES.

viii LIST OF TABLES. Description of the problem. The objective of this work. The scope of this work.

Scientific and practical significance. 6 CHAPTER 2: THE OVERVIEW OF THE DISPERSION SIMULATION. Overview of the CFD simulation. Computational Fluid Dynamic (CFD).

Working principle of ANSYS CFD. An overview of CFD simulation. Application of ANSYS FLUENT software in CFD. Application of some modules in ANSYS FLUENT software.

Current research on CFD simulation of emission accidents. 19 CHAPTER 3: MATHEMATICAL MODELING. 34 CHAPTER 4: CFD SETUP AND SIMULATION. CFD simulation setup.

Properties of materials. Properties of the simulation. 45 CHAPTER 5: RESULTS AND DISCUSSION. Selection of the grid for the simulation model.

Meshing for the computational simulation. Determining the flammability range of the gas mixture. The simulation computational model in transient-state. LPG behavior during the dispersion with different wind velocities.

Analysis of average LPG concentration in points. Wind velocity distribution during the dispersion. Insights of velocity contour on LPG dispersion and leakage. 74 CHAPTER 6: CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS.

88 viii LIST OF FIGURES Figure 1. Route of LPG from production to the end-consumer .2: Location of LPG station on site plan .3: FU VIETNAM’s location on satellite map (Access date: 01/05/2024) .4: 15 tons LPG supply station area .5: Front view of the LPG tank .1: Example in which heavy gas clouds dispersed .2: Computational domain defined for a circular pipe .3: Procedure for CFD simulation .4: The mole fraction of NH3 .5: The velocity magnitude (m/s) of wind field .6: Temperature range (K) of LPG liquid fire diameter (D = 10.4 m) with different wind speeds .7: Leakage length (left) and dispersion distance 10 s (right) after leak considered at 30 MPa pressure .8: Dissipation distance after 5 seconds (left) and 10 seconds (right) after leakage at pressures of 50 MPa and 70 MPa .9: Schematic of propane concentration with LFL concentration at different times (first 20 seconds after emission) for three cases .10: The hydrogen distribution for different crossbeam heights at t = 400s23 Figure 2.11: Computational model of LNG leakage and diffusion .12: LNG diffusion process when leakage occurs during STS process .1: Solvers in ANSYS FLUENT .1: The geometry of the LPG station – (A) Isometric view – (B) Top view – (C) Front view – (D) LPG tank– (E) Isometric view with domain .2: The geometric model of the LPG station .4: Types of meshing .5: Example of a structured triangular mesh and an unstructured triangular mesh .6: Illustration of a pipe with (A) – Polyhedral volume mesh and (B) – Poly- hexcore volume mesh .7: Named selection of the LPG storage tank (A) Wind inlet – (B) Wind outlet – (C) Release source .8: Schematic diagram of computational LPG model .1: Velocity contour of the sample case with the locations of test points.2: Velocity of three test points under different grid resolutions .3: The poly-hexcore volume mesh of the simulation model .4: The volume average of LPG for different wind velocities versus time .