Có nhiều phơng pháp hoá lỏng khí thiên nhiên. Phơng pháp đợc ứng dụng rộng rãi nhất là phơng pháp làm lạnh nhờ các máy ghép tầng, trong đó các cấp trên môi chất lạnh là etylen và propan. Có thể sử dụng các phơng pháp làm lạnh gián tiếp để hoá lỏng khí thiên nhiên. Một trong những phơng pháp làm lạnh gián tiếp là nén khí lên trên áp suất tới hạn sau đó đa vào làm lạnh gián tiếp bằng môi chất lạnh, ví dụ nh êtan. Sau đó khí đợc dãn nở và một phần khí đợc hoá lỏng. Hình 1-2 giới thiệu chu trình hoá lỏng khí thiên nhiên bằng máy lạnh ghép tầng. Chu trình cổ điển thông dụng (hình 1-2a) có nhợc điểm là quá nhiều thiết bị với nhiều loại máy nén, thiết bị trao đổi nhiệt, đờng ống vv làm cho công tác vận hành, bảo dỡng, sửa chữa gặp khó khăn, đặc biệt khi tải dao động và việc hút hơi lạnh về máy nén. Công việc tự động hoá cũng gặp khó khăn. 5 NH3 C 2H4 293K, 0,86MPa 233K, 0,07MPa 2 1 3 7 3 7 6 6 288K 233K238K 170K, 0,1MPa 238K; 1,66MPa 173K 170K 6 7 0,1MPa 112K 293K; 6,8MPa 4 7 6 5 6 6 6 1 a) b) 1-Khí thiên nhiên vào; 2- Máy nén khí thiên nhiên; 3- Máy nén lạnh; 4- Máy nén lạnh hỗn hợp môi chất; 5- Bình ngng; 6- Thiết bị trao đổi nhiệt; 7- Van tiết lu Hình 1-2: Chu trình ghép tầng hoá lỏng khí thiên nhiên 17 Giỏo trỡnh tng hp nhng k thut húa lng khớ thiờn nhiờn Một giải pháp tích cực là ứng dụng hỗn hợp môi chất lạnh đợc viết tắt là phơng pháp ARC (Auto-Refrigerated Cascade). Hỗn hợp môi chất lạnh gồm nitơ, mêtan, êtan, propan và butan đợc nén trong máy nén 4 và đợc hoá lỏng theo thứ tự từng thành phần. Bằng cách tiết lu và cho bay hơi từng thành phần đó khí thiên nhiên đợc làm lạnh dần đến 120 o K rồi hoá lỏng một phần khi qua tiết lu 7. Hiện nay nhiều nhà máy hoá lỏng khí thiên nhiên có năng suất rất lớn làm việc theo phơng pháp ARC này. Ví dụ nhà máy hoá lỏng khí Badak (Inđônêxia) có năng suất 250.000m 3 tiêu chuẩn trong một giờ và nhà máy hoá lỏng Arzew (Angiêri) có năng suất 1.200.000 m 3 /h. Khí thiên nhiên hoá lỏng đợc ký hiệu là LNG (Liquefied Natural Gas) có nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển khoảng -160 o C, bởi vậy khí hoá lỏng cần đợc chứa và vận chuyển trong các bình cách nhiệt tốt. Ngời ta đã bảo quản khí hoá lỏng trong nền đất đông cứng. Phơng pháp này tỏ ra có hiệu quả kinh tế. Bình chứa đặt trong nền đất đông cứng đã sử dụng có sức chứa lên tới 40.000 m 3 . Khí hoá lỏng từ dầu thô LPG (Liquefied Petroleum Gas) có nhiệt độ sôi ở áp suất khí quyển cao hơn nhiều. Khí PLG là sản phẩm thu đợc khi chế biến dầu thô và bao gồm chủ yếu các thành phần propan, n- butan và isobutan. Các chất này là thể khí ở nhiệt độ môi trờng nhng chỉ cần nén lên áp suất vừa phải là chúng đã hoá lỏng vì nhiệt độ tới hạn của chúng lớn hơn nhiệt độ môi trờng nhiều. Các khí lỏng cũng đợc bảo quản và vận chuyển bằng các bình. Ngày nay ngời ta gọi nhiều khí có nhiệt độ tới hạn cao hơn nhiệt độ môi trờng, khi đợc hoá lỏng là khí hoá lỏng nh amôniắc, butadien, clo vv Trong một bình kín chứa khí lỏng, hơi và lỏng ở trạng thái cân bằng, bởi vậy áp suất trong bình phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ. Trong khi vận chuyển khí lỏng ngời ta phân biệt ba loại áp suất: áp suất đầy, áp suất giảm và áp suất khí quyển. Chuyên chở với áp suất đầy nghĩa là các chai không đợc làm lạnh, áp suất trong chai là áp suất bão hoà tơng ứng với nhiệt độ môi trờng. Các chai thờng đợc thiết kế cho áp suất cao nhất lên tới 17 bar, nghĩa là khi chuyên chở propan, nhiệt độ ngoài trời có thể lên tới khoảng 45 o C. Hình dáng của các bình chứa rất khác nhau nhng thông thờng có dạng hình trụ nằm hoặc đặt đứng (đặt trong các khoang tàu thuỷ), đôi 18 khi cả hình cầu. Các bình chứa này rất nặng nên thờng đợc chế tạo không quá 1000 Tấn. Chuyên chở với kiểu áp suất giảm thuận lợi hơn vì áp suất trong bình không quá cao nhng phải có hệ thống làm lạnh kèm theo. Các bình khí hoá lỏng đợc làm lạnh đến một nhiệt độ thuận lợi nào đó để áp suất trong bình không quá cao. Do đợc làm lạnh nên các bình chứa này phải đợc bọc cách nhiệt để giữ lạnh. Do khối lợng riêng ở nhiệt độ thấp lớn hơn nên với cùng thể tích bình, phơng pháp áp suất giảm chứa đợc nhiều khí hoá lỏng hơn. Các bình chứa áp suất giảm đợc thiết kế cho áp suất tối đa 10 bar. Nhiệt độ thấp nhất cho phép tuỳ theo vật liệu chế tạo mà tiêu chuẩn cho phép. Do có tổn thất qua lớp cách nhiệt của bình nên để duy trì áp suất bình cần trang bị hệ thống lạnh hoặc tiến hành tái làm lạnh khí hoá lỏng nh hình 1-3. 3 1 2 4 1- Bình chứa khí hoá lỏng; 2- Máy nén; 3- Bình tái ngng tụ; 4- Van tiết lu Hình 1-3: Sơ đồ tái hoá lỏng khí thiên nhiên Trên sơ đồ này, phần lỏng đã hoá hơi đợc máy nén 2 hút về và nén lên áp suất và nhiệt độ cao, sau đó đa vào bình tái ngng tụ 3 để ngng lại thành lỏng, lỏng đợc tiết lu để giảm áp suất và nhiệt độ xuống áp suất nhiệt độ trong bình. Để tránh làm bẩn khí lỏng ở bình 1 do dầu bôi trơn máy nén lẫn vào, ngời ta sử dụng máy nén không cần dầu bôi trơn. Đề phòng trờng hợp có khí không ngng trong bình chứa cần có thiết bị xả khí không ngng. 19 Chuyên chở khí lỏng với áp suất khí quyển cũng còn đợc gọi là chuyên chở khí lỏng đợc làm lạnh hoàn toàn. áp suất trong bình chỉ cao hơn áp suất khí quyển tối đa là 0,3 bar. Nhiệt độ của khí hoá lỏng trong bình gần bằng nhiệt độ bão hoà theo áp suất khí quyển hay nhiệt độ sôi ở áp suất thờng bởi vậy bình chứa cần đợc bọc cách nhiệt tốt. Do không chịu áp lực nên vách bình không cần dày và hình dáng có thể tuỳ theo kho chứa hoặc khoang tàu thuỷ. Thực tế cho thấy máy lạnh lắp đặt trên tàu và cả trên đất liền để làm lạnh một phần hoặc làm lạnh hoàn toàn khí lỏng trong bình chứa tiêu tốn năng lợng lớn hơn nhiều lần phơng pháp tái hoá lỏng. Để làm lạnh khí lỏng đến -50 o C cần một máy lạnh hai cấp với khí lỏng đồng thời làm môi chất lạnh. Khi chuyên chở êtylen lỏng ở nhiệt độ -100 o C cần trang bị một máy lạnh ghép tầng, tầng dới lấy êtylen và tầng trên lấy R 22 làm môi chất lạnh. Nếu chọn R13B1 thì bình bay hơi ghép tầng không phải làm việc với áp suất chân không. 1.2.3 ứng dụng trong điều hoà không khí Ngày nay kỹ thuật điều hoà đợc sử dụng rất rộng rãi trong đời sống và trong công nghiệp. Khâu quan trọng nhất trong các hệ thống điều hoà không khí đó là hệ thống lạnh Máy lạnh đợc sử dụng để xử lý nhiệt ẩm không khí trớc khi cấp vào phòng. Máy lạnh không chỉ đợc sử dụng để làm lạnh về mùa hè mà còn đợc đảo chiều để sởi ấm mùa đông. Điều hoà không khí đợc sử dụng với 2 mục đích: - Phục vụ cuộc sống tiện nghi của con ngời (Hệ thống điều hoà trong đời sống, dân dụng). - Phục vụ các quá trình sản xuất (Hệ thống điều hoà công nghiệp). 1.2.3.1. Các hệ thống điều hoà trong đời sống dân dụng Hiện nay các hệ thống điều hoà đợc sử dụng rất rộng rãi ở các hộ gia đình, trong các công sở, cơ quan, nhà máy, xí nghiệp, khách sạn, ngân hàng, nhà thi đấu thể thao, hội trờng, rạp chiếu bóng, rạp hát vv nhằm phục vụ cuộc sống tiện nghi của con ngời. Nhiệt độ thích hợp đối với con ngời là khoảng từ 22 o C đến 29 o C. Tuy nhiên khí hậu quanh năm luôn luôn thay đổi, mùa hè nớc ta nhiều nơi nhiệt độ có thể đạt 40 o C. Làm việc trong những điều kiện 20 nh vậy rất khó chịu và ảnh hởng nhất định đến hiệu quả và chất lợng công việc. Ngợc lại mùa đông, nhiệt độ có thể hạ xuống 10 o C. Hiện nay ngời ta sử dụng nhiều hệ thống điều hoà khác nhau trong đời sống nh: Máy điều hoà dạng cửa sổ, máy điều hoà 2 mãnh, máy điều hoà kiểu VRV, máy điều hoà làm lạnh bằng nớc và máy điều hoà trung tâm. Đối với các hộ gia đình, thích hợp nhất là các máy điều hoà công suất nhỏ nh loại cửa sổ và máy điều hoà 2 mãnh. 1.2.3.2. Các hệ thống điều hoà trong công nghiệp Trong nhiều ngành công nghiệp để sản xuất ra các sản phẩm có chất lợng kỹ thuật cao đòi hỏi phải duy trì nhiệt độ, độ ẩm trong một giới hạn nhất định. Ví dụ nh trong ngành cơ khí chính xác, thiết bị quang học, trong công nghiệp bánh kẹo, trong ngành điện tử vv Trong các ngành công nghiệp nhẹ điều hoà không khí cũng đợc sử dụng nhiều nh trong công nghiệp dệt, công nghiệp thuốc lá vv Mỗi loại sản phẩm đòi hỏi sản xuất trong những điều kiện nhiệt độ, độ ẩm khác nhau, ví dụ nh: - Kẹo sôcôla: 7 ữ 8 o C - Kẹo cao su: 20 o C - Bảo quản rau quả : 10 o C - Đo lờng chính xác: 20 ữ 24 o C - Công nghiệp dệt: 20 ữ 32 o C - Chế biến thực phẩm: Nhiệt độ càng thấp càng tốt, khoảng 5ữ10 o C Các hệ thống điều hoà không khí trong công nghiệp chủ yếu là các hệ thống công suất lớn nh kiểu VRV, máy điều hoà làm lạnh bằng nớc và máy điều hoà trung tâm. 1.2.4 ứng dụng trong siêu dẫn Một ứng dụng rất quan trọng của kỹ thuật lạnh là sử dụng trong kỹ thuật siêu dẫn. Ngời ta nhận thấy khi làm lạnh các chất dẫn điện xuống nhiệt độ rất thấp thì điện trở của nó bằng 0. Thông thờng nhiệt độ đó rất thấp. Khi dây đạt đợc nhiệt độ siêu dẫn thì có thể sử dụng vật liệu dẫn điện mà không gây ra tổn thất điện năng trên đờng dây. Trong trờng hợp đó có thể ứng dụng để tạo ra các nam châm cực lớn trong các máy 21 . 0,86MPa 233K, 0,07MPa 2 1 3 7 3 7 6 6 288K 233K238K 17 0K, 0,1MPa 238K; 1, 66MPa 17 3K 17 0K 6 7 0,1MPa 11 2K 293K; 6,8MPa 4 7 6 5 6 6 6 1 a) b) 1 -Khí thiên nhiên vào; 2- Máy nén khí thiên nhiên; 3- Máy nén. lạnh khí hoá lỏng nh hình 1- 3. 3 1 2 4 1- Bình chứa khí hoá lỏng; 2- Máy nén; 3- Bình tái ngng tụ; 4- Van tiết lu Hình 1- 3: Sơ đồ tái hoá lỏng khí thiên nhiên Trên sơ đồ này, phần lỏng. thành phần. Bằng cách tiết lu và cho bay hơi từng thành phần đó khí thiên nhiên đợc làm lạnh dần đến 12 0 o K rồi hoá lỏng một phần khi qua tiết lu 7. Hiện nay nhiều nhà máy hoá lỏng khí thiên nhiên