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.