Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về gas, bình chứa gas. Bình gas thường ñược làm bằng thép chứa khí ñốt hoá lỏng viết tắt là LPG, LPG (Liquefied Petroleum Gas) là hỗn hợp hydrocarbon nhẹ, ở thể khí. LPG tồn tại trong thiên nhiên ở các giếng dầu hoặc giếng gas và cũng có thể sản xuất ở các nhà máy lọc dầu. Thành phần chính của LPG là Propane (C3H8) và Butane (C4H10), không màu, không mùi, không vị và không có ñộc tố.
LPG là loại nhiên liệu thông dụng về tính ña năng và thân thiện với môi trường. Nó có thể dễ dàng ñược chuyển ñổi sang thể lỏng bằng việc tăng áp suất thích hợp hoặc giảm nhiệt ñộ ñể dễ tồn trữ và vận chuyển ñược. Nó có thể chuyển ñộng như chất lỏng như lại ñược ñốt cháy ở thể khí. Cả Propane và Butane ñều dễ hóa lỏng và có thể chứa ñược trong các bình áp lực.
Những ñặc tính này làm cho loại nhiên liệu này dễ vận chuyển, và vì thế có thể chuyên chở trong các bình hay bồn gas ñến người tiêu dùng cuối cùng. LPG là loại nhiên liệu thay thế rất tốt cho xăng trong các ñộng cơ ñánh lửa. Trong một ñộng cơ ñược ñiều chỉnh hợp lý, ñặc tính cháy sạch giúp giảm lượng chất thải thoát ra, kéo dài tuổi thọ Buji. Như một chất thay thế cho chất nổ ñẩy Aerosol và chất làm ñông, LPG ñược chọn ñể thay cho fluorocarbon vốn ñược biết ñến như một nhân tố làm thủng tầng ozone.
Với các ñặc tính là nguồn nhiên liệu sạch và dễ vận chuyển, LPG cung cấp một nguồn năng lượng thay thế cho các nhiên liệu truyền thống như: củi, than, và các chất hữu cơ khác. Việc này cung cấp giải pháp hạn chế việc phá rừng và giảm ñược bụi trong không khí gây ra bởi việc ñốt các nhiên liệu truyền thống. Ở nhiệt ñộ lớn hơn 0o C trong môi trường không khí bình thường với áp suất bằng áp suất khí quyến, LPG bị biến ñổi từ thể lỏng thành thể hơi theo tỉ lệ thể tích 1 lít LPG thể lỏng hoá thành khoảng 250 lít ở thể hơi. 1 Vận tốc bay hơi của LPG rất nhanh, dễ dàng khuyếch tán, hòa trộn với không khí thành hỗn hợp cháy nổ.
Tỉ trọng LPG nhẹ hơn so với nước là: Butane từ 0,55 – 0,58 lần, Propane từ 0,5 – 0,53 lần; Ở thể hơi (gas) trong môi trường không khí với áp suất bằng áp suất khí quyển, gas nặng hơn so với không khí: Butane 2,07 lần; Propane 1,55 lần. Do ñó hơi LPG thoát ra ngoài sẽ bay là là trên mặt ñất, tích tụ ở những nơi kín gió, những nơi trũng, những hang hốc của kho chứa, bếp… Màu sắc LPG ở trạng thái nguyên chất không có mùi, nhưng dễ bị phát hiện bằng khứu giác khi có rò rỉ do LPG ñược pha trộn thêm chất tạo mùi Mercaptan với tỉ lệ nhất ñịnh ñể có mùi ñặc trưng. LPG gây bỏng nặng trên da khi tiếp xúc trực tiếp, nhất là với dòng LPG rò rỉ trực tiếp vào da nếu không có trang bị bảo hộ lao ñộng. Nhiệt ñộ của LPG khi cháy rất cao từ 1900oC ÷1950oC, có khả năng ñốt cháy và nung nóng chảy hầu hết các chất.
Thành phần hỗn hợp LPG có tỷ lệ Propane/Butane là 50/50 ±10% (mol). LPG là loại nhiên liệu dễ cháy khi kết hợp với không khí tạo thành hỗn hợp cháy nổ. ðạt tới giới hạn nồng ñộ cháy, dưới tác dụng của nguồn nhiệt hoặc ngọn lửa trần sẽ bắt cháy làm phá hủy thiết bị, cơ sở vật chất, công trình. Khí hóa lỏng là một trong những dạng nhiên liệu ñược dùng phổ biến nhất trên thế giới hiện nay.
Tại Ấn ðộ – quốc gia ñông dân thứ hai trên thế giới, khí hóa lỏng là loại nhiên liệu phổ biến hàng ñầu với hơn 3/4 dân số sử dụng. Còn ở Việt Nam chúng ta, bình gas là một vật dụng quen thuộc của các hộ dân cư (tập trung chủ yếu ở các thành phố lớn). Ưu ñiểm của bình gas LPG là sự gọn gàng khi ñặt trong căn bếp của gia ñình, khả năng tỏa nhiệt tốt, dễ sử dụng, giảm gây ô nhiễm và tương ñối an toàn hơn một số loại nhiên liệu khác như than củi… Khí hóa lỏng ñược nghiên cứu sản xuất ñầu tiên vào năm 1910 bởi nhà hóa học người Mỹ, tiến sĩ Walter Snelling, khi ñó ñang làm việc cho Ủy Ban Khảo sát ñịa lý Hoa kỳ (US Geological Survey). Ông tìm cách hóa lỏng các sản phẩm phụ dạng khí từ nguyên liệu khí thiên nhiên (natural gas) khai thác từ lòng ñất.
Những sản phẩm khí hóa lỏng ñầu tiên có mặt trên thị trường nhiên liệu vào năm 1912 và 2 tiến sĩ Walter Snelling chính thức ñược cấp bằng phát minh phương pháp sản xuất khí hóa lỏng vào năm 1913. Có 2 loại khí hữu cơ có thể ñược lưu trữ ở dạng lỏng với áp suất không quá cao, ñó là: propane (C3H8) và n-butane (C4H10). Isobutane – một ñồng phân cấu tạo của n-butane, tuy có cùng công thức phân tử (C4H10) nhưng khác nhau về cấu trúc hóa học – cũng ñược sử dụng khá phổ biến. Thông thường, butane và isobutane ñược phối trộn với propane theo những tỷ lệ nhất ñịnh tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng của nhiên liệu thành phần.1: ðồng phân của Butane Propane ñược sử dụng nhiều vì ñiểm sôi (boiling point) của nó là -42.
Có nghĩa là ở nhiệt ñộ rất thấp, propane cũng sẽ hóa hơi ngay lập tức khi vừa thoát khỏi bình chứa có áp suất cao. Do vậy, ñể xảy ra sự cháy, propane không cần sử dụng bất kỳ loại thiết bị ñặc biệt nào ñể hóa hơi và hòa trộn với không khí trước. Trong khi ñó, n-Butane có ñiểm sôi vào khoảng -0.50 C, nghĩa là n-Butane sẽ không hóa hơi khi ở trong ñiều kiện nhiệt ñộ thấp hơn -0.5oC (Isobutane có ñiểm sôi là -11. ðó là lý do tại sao butane (cả 2 loại ñồng phân) ít ñược sử dụng phổ biến như propane, và nếu muốn sử dụng, butane phải ñược hòa trộn với propane.
Ta có bảng so sánh hàm nhiệt (Energy density hay Energy Content, Energy Capacity) của một số loại nhiên liệu (xếp theo thứ tự từ cao ñến thấp).1: Bảng so sánh hàm nhiệt của một số loại nhiên liệu NHIỆT GHI TT LOẠI NHIÊN LIỆU LƯỢNG CHÚ MJ/kg kWh/kg 1 Gasoline (nhiên liệu ñộng cơ) 47,2 13,22 2 Propane (chất ñốt, nhiên liệu ñộng cơ) 46,4 13,00 3 Diesel (nhiên liệu ñộng cơ) 45,4 12,70 4 Than 24,0 6,72 5 Gỗ, củi khô 16,2 4,54 Khí hóa lỏng ñược tinh chế từ dầu hỏa và khí thiên nhiên (natural gas) bằng phương pháp tương tự với xăng (gasoline) tinh chế từ dầu thô (crude oil) ñó là chưng cất phân ñoạn (fractional distillation). Trong hỗn hợp khí thiên nhiên thu ñược từ mỏ khí dưới lòng ñất, khoảng hơn 90% thành phần là khí methane. Người ta tinh chế khí gas (propane, butane) ra khỏi methane trong hỗn hợp khí thiên nhiên ñó. Ngoài ra, khí hóa lỏng còn có thể sản xuất từ dầu thô (crude oil).
Tuy nhiên, hiệu suất của quá trình này khá thấp (khoảng 3%) vì propane vốn là những thành phần sản phẩm phụ (byproduct) của quá trình chưng cất dầu thô. Nếu muốn sản xuất khí hóa lỏng từ dầu thô, người ta có thể ñiều chỉnh hệ thống chưng cất, và do vậy hiệu suất sản xuất ra propane có thể lên ñến hơn 40%.[28] Hiện nay trên thị trường thường sử dụng bình gas bằng thép 12kg hình 1.2: - Trọng lượng tịnh: 12 kg ± 100 gram - Trọng lượng bao bì: Propane: 50% ± 10%, Butane: 50% ± 10%. Chỉ tiêu chất lượng chủ yếu: [29] - Nhiệt lượng : 50.000 kj/kg - Nhiệt ñộ cháy : 1890 – 1935C - Tỷ trọng tại 15o C : (0.01) kg/l 4 - Áp suất thử nghiệm của bình gas ñạt 34kg/cm2, tương ñương 33,6 bar/cm2 - Áp suất sử dụng 8kg/cm2, tương ñương 7,8 bar/cm2 Hình 1.2: Bình gas thép Thép làm vỏ bình gas là các thép hợp kim Cr, Ni, Mo thành phần C thấp ví dụ như các mác thép sau [30] STSF304: C < 0,08; Si < 0,1; Mn< 0,2; Cr =18 – 20; Ni =8 - 11 STSF316: C <0,08; Si<0,1; Mn<0,2 Cr =16 -18; Ni =10 -14 STSF310: C <0,15; Si < 0,1; Mn<0,2; Cr = 24 – 26; Ni = 19 – 22; Mo =2- 3 STSF316H: C = 0,04-0,1; Si<0,1; Mn< 0,2; Cr =16 =18; Ni =11-14; Mo =2- 3 STSF316L: C <0,03; Si< 0,01; Mn< 0,2; Cr =16 -18; Ni =12-15; Mo = 2- 3 Việc sử dụng bình chứa gas luôn luôn gắn liền với những yếu tố nguy hiểm như nổ bình chứa gây bỏng nhiệt, va ñập cơ học. Khi nổ bình chứa gas nó gây hậu quả rất to lớn, có thể làm chết và bị thương nhiều người, phá hủy nhà xưởng, công trình.
Nguyên nhân của việc cháy, nổ thì rất nhiều nhưng chủ yếu là do cháy làm cho nhiệt ñộ trong bình tăng lên, áp suất tăng theo, ñộ bền của vỏ bình không chịu nổi áp suất chứa bên trong. Vì vậy việc nghiên cứu thay thế bình khí nén bằng vật liệu truyền thống (thép Carbon) càng trở nên cấp thiết, việc chế tạo vật liệu composite thành công sẽ mang lại nhiều ưu ñiểm như: - Nhẹ - ðộ bền cao - Vận hành an toàn - Không bị nổ khi xảy ra hỏa hoạn 5 - Có thể kiểm soát lượng khí bên trong - Có thể gắn chíp ñể kiểm tra việc sang chiết và nạp - Không bị Gas hóa, rỉ sét… 1. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước ñã công bố 1.1 Trong nước Ở Việt Nam, vật liệu composite ñược áp dụng hầu hết ở các ngành, các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân, tính riêng nhựa dùng ñể sản xuất vật liệu composite ñược tiêu thụ ở Việt Nam khoảng 5. Tại Hà Nội ñã có 8 ñề tài nghiên cứu về composite cấp thành phố ñược tuyển chọn, theo ñó vật liệu composite ñược sử dụng nhiều trong ñời sống xã hội.
Bồn xử lý nước thải FRP (hình 1.3) do Công ty cổ phần ðầu tư và Sản xuất Việt Hàn cung cấp cho tập ñoàn Gamuda Berhad của Malaixia về việc thiết kế, xây dựng nhà máy xử lý nước thải và xây dựng công viên Yên Sở ở phía Nam Hà Nội Hình 1.3: Bồn xử lý nước thải FRP [32] Công nghệ biogas ñã ñem lại hiệu quả thiết thực, ñến nay công nghệ này vẫn chưa phát triển mạnh và rộng khắp. Một số nguyên nhân là do: chưa có công nghệ hoàn chỉnh về mặt kỹ thuật, việc xây dựng, lắp ñặt và sử dụng hầm chưa thuận lợi, chi phí ñầu tư xây dựng hầm còn cao so với thu nhập của nông dân, việc thay thế, sửa chữa khó khăn do thiếu cơ sở dịch vụ kỹ thuật. Công tác sản xuất thiết bị và phụ kiện thay thế trong nước chưa ñược quan tâm.