Tính toán thiết kế bể chứa lpg

Tính toán thiết kế bể chứa lpg

Chương I : Giới thiệu chung về LPG

1.1 Khái niệm về LPG

LPG là tên viết tắt của khí dầu mỏ hóa lỏng (Liquified PetroliumGas) LPG là sản phẩm thu được từ quá trình khai thác dầu mỏ (khí đồnghành), hoặc từ các mỏ khí thiên nhiên bao gồm các loại hydrocacbon khácnhau, thành phần chủ yếu là propan, butan hoặc hỗn hợp của chúng

Hoá lỏng khí dầu mỏ là quá trình tách đơn giản, vốn đầu tư ít hơn sovới các quá trình tách triệt để Thông thường người ta chỉ tách riêng metanthuần độ cao làm nguyên liệu sản xuất methanol, còn metan lẫn etan làmkhí đốt công nghiệp, gia dụng, phát điện hoặc cho xuất khẩu theo đườngống dẫn khí, hoặc tách metan, etan cho sản xuất ammoniac, urê, còn phầnhoá lỏng là LPG

Hiện nay trên thế giới LPG được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành :giao thông vận tải, công nghiệp, nông nghiệp, chế biến thực phẩm và trởthành loại nhiên liệu không thể thiếu được đối với mỗi quốc gia, đặc biệtvới các nước có nền công nghiệp phát triển LPG được sản xuất mạnh ởnhững nước có tiềm lực lớn về dầu mỏ như : Mỹ, Nga, Canada, Mexico,Venezuela, Indonexia, Angieri, Ả rập xê út, Nauy, Iran

LPG tồn chứa trong các loại bình áp lực khác nhau và được tồn chứa ởtrạng thái bão hoà tức là tồn tại ở dạng hơi nên với thành phần không đổi,

áp suất bão hoà trong bình chứa không phụ thuộc vào lượng LPG bên trong

mà hoàn toàn phụ thuộc vào nhiệt độ bên ngoài Chất lỏng nằm dưới phầnđáy và hơi nước nằm trên cùng của bình chứa, nghĩa là khoảng trên mứcchất lỏng Thông thường các loại bình chứa chỉ chứa khí lỏng tối đa khoảng

80 ÷ 95 % thể tích bình, thể tích còn lại dành cho phần hơi có thể giãn nởkhi nhiệt độ tăng

1.2 Thành phần của LPG

Thành phần hóa học chủ yếu của LPG là các hydrocacbon dạngparafin có công thức chung là CnH2n+2 LPG là hỗn hợp nhất định của cáchydrocacbon như: Propan (C3H8), Propylen (C3H6), Butan (C4H10),Butylen(C4H8) Tuy nhiên vẫn có khả năng xuất hiện vết của etan,etylenhoặc pentan trong LPG thương mại Butadien 1,3 có thể xuất hiện nhưngkhông 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 đượcbằng khứu giác

Sản phẩm LPG cũng có thể có hydrocacbon dạng olefin haykhông có olefin phụ thuộc vào phương pháp chế biến

1.3 Một số tính chất hóa lý đặc trưng của LPG

0,62,512

0,572,386Ẩn nhiệt bay

0,82,757

Do hệ số dãn nở của LPG lớn nên đòi hỏi:

* Phải giữ khoảng trống phù hợp trong các bồn chứa, bình chứa; lắp đặtcác van an toàn cho bồn chứa, các ống dẫn.

* Đo một cách chính xác nhiệt độ sản phẩm trong kho chứa chứa để khivận chuyển thì điều khiển được mức dự trữ, hư hao như quy định

1.3.2 Nhu cầu không khí khi đốt cháy

Khi đốt cháy hoàn toàn một thể tích LPG đòi hỏi không khí lớn gấp

23 lần đối với propan và gấp 33 lần đối với butan Đồng thời phản ứng sinh

ra lượng CO2 gấp từ 3 – 4 lần thể tích khí đốt Điều này rất quan trọng vì đểlường trước được khả năng thiếu oxy bão hoà CO2 đột ngột trước khi đốtLPG trong không gian khí

1.3.3 Ẩn nhiệt bay hơi

Ẩn nhiệt của chất lỏng là lượng nhiệt cần hấp thụ để bay hơi hoàntoàn một đơn vị khối lượng chất lỏng đó Điều này đúng với cả khí hoálỏng và đúng với cả nước, nếu không có nhiệt cung cấp bên ngoài thì chấtlỏng không bay hơi được Khi chất lỏng lạnh dần xuống thì sự bay hơi cóthể chậm lại hay dừng hẳn Như vậy LPG lỏng đựng trong bình kín có mộtlượng khí thoát ra từ bình chứa tương ứng với lượng hơi được tạo ra do sựcung cấp nhiệt ở điều kiện áp suất khí quyển

1.3.4 Tỷ trọng

Tỷ trọng thể lỏng : ở điều kiện 15oC, 760mmHg ,tỷ trọng củapropan là 0,51 ; còn butan là 0,575 Propan và butan nhẹ hơn nước nên nónổi lên trên mặt nước

Tỷ trọng thể hơi : ở điều kiện 15oC, 760mmHg, tỷ trọng của propanhơi bằng 1,52 và butan hơi bằng 2,01 Như vậy ở thể hơi, tỷ trọng của LPGgấp gần 2 lần tỷ trọng của không khí

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 antoàn khi có rò rỉ cần tạo điều kiện thông thoáng phần dưới không gian sử dụng hoặc chứa LPG

1.3.5 Áp suất hơi bão hoà

LPG có áp suất hơi bão hoà cao hơn áp suất khí quyển, nên ở điềukiện bình thường ( nhiệt độ và áp suất khí quyển ) LPG tồn tại ở dạng hơi.Trong điều kiện nhất định về nhiệt độ và áp suất, LPG sẽ chuyển sang dạnglỏng và có thể tích nhỏ hơn rất nhiều lần so với dạng hơi, điều này thuận lợicho việc vận chuyển và tàng trữ

LPG chứa trong bình kín có thể làm tăng áp suất của bình do tínhchất dễ bay hơi của nó Nhiệt độ môi trường quá thấp có thể làm giảm ápsuất hơi dưới mức áp suất khí quyển

Áp suất hơi bão hòa của LPG phụ thuộc vào nhiệt độ bên ngoài củathiết bị và tỷ lệ thành phần Butan/ propan

LPG với thành phần 70% butan và 30% propan có áp suất hơi bãohòa là 6 kg/ cm2 Ở cùng điều kiện nhiệt độ, khi thay đổi thành phần hỗnhợp , áp suất hơi bão hòa cũng thay đổi.`

1.3.6 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, ápsuất và thành phần Vùng cháy nổ có giới hạn trên và giới hạn dưới vềnồng 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 đạicủa nhiên liệu để nhiên liệu cháy khi gặp lửa Nếu quá giới hạn trên hỗnhợp không cháy nổ vì thiếu oxy, còn thấp hơn giới hạn dưới hỗn hợp quánghèo nhiên liệu phản ứng cháy không xảy ra được Giới hạn cháy nổ đượcthể hiện ở bảng sau :

Bảng 1.2 : Giới hạn cháy nổ

1.3.7 Nhiệt độ cháy

Hỗn hợp LPG/ trên không khí cháy sinh ra một lượng nhiệt rất lớn

và tương đối sạch không để lại tạp chất

Bảng 2.3 Nhiệt cháy và nhiệt trị của LPG

Sản phẩm

Nhiệt độ cháy lớn nhất của LPG/ không khí ( o C)

Nhiệt trị LPG ( kcal/kg) Lớn nhất Nhỏ nhất

Bảng 1.4 Nhiệt độ tự bắt cháy của một số loại nhiên liệu tại áp suất khí

quyển

Số thứ

tự

Nhiên liệu Nhiệt độ cháy tối thiểu ( o C )

Trong không Trong Oxy

- Propan thương phẩm : làm nhiên liệu cho động cơ hoạt động ở nhữngđiều 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 trungbình

- Propan chuyên dùng : Là sản phẩm có chất lượng cao sử dụng trong cácđộng 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 hỏitrung bình

Hỗn hợp propan – butan là thích hợp cho việc chế biến thành sảnphẩm khí đốt gia dụng vì chúng có áp suất hơi bão hoà và nhiệt độ bay hơithích hợp trong các điều kiện sinh hoạt cụ thể

LPG có nhiệt cháy cao mặc dù tỷ trọng butan lớn hơn tỷ trọng propannhưng nhiệt trị tương tự nhau và nằm trong khoảng 11300 ÷ 12000 Kcal/ kg ;tương đương nhiệt trị của 1,5 – 2 kg than củi ; 1,3 lít dầu mazut ; 1,35 lítxăng

Với những đặc tính trên, LPG được sử dụng rất rộng rãi trong mọilĩnh vực của đời sống Một cách tương đối có thể phân chia các ứng dụng củaLPG 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, chiếusáng, 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 thựcphẩm

- 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

- 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, đốtcỏ…

- 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 môitrường, 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 độchại trong sử dụng đối với con người, vừa kinh tế

- Sử dụng LPG trong công nghiệp hoá dầu : LPG được sử dụng trong

tinh chế và công nghiệp hoá dầu Trong tinh chế, butan dùng để sản xuấtdầu nhờn, n- butan thêm vào để tăng tính bay hơi và chỉ số octan của nhiênliệu Một trong những ứng dụng quan trọng khác của LPG là sử dụng làmnguyên liệu hoá học để tạo ra những polyme trung gian như : polyetylen,polyvinyl clorua, polypropylen và một số chất khác Đặc biệt để sản xuấtMTBE là chất làm tăng trị số octan thay thế cho hợp chất pha chì trongxăng đã phát triển trong một vài năm gần đây

- Sử dụng cho nhà máy phát điện : Dùng LPG chạy các tuabin để sản

xuất ra điện phục vụ cho các ngành công nghiệp khác đem lại hiệu quả kinh

tế cao và vốn đầu tư xây dựng ban đầu đối với công nghệ này là thấp hơn

so với công nghiệp thuỷ điện và nhiệt điện

1.5 Ảnh hưởng của các tính chất đến việc tàng chứa và vận chuyển LPG

LPG có áp suất hơi bão hòa lớn hơn 40 psia ( 2,7atm) tại 1000F,nhiệt

độ bình thường 250C, áp suất 1Bar thì LPG tồn tại ở dạng khí,chúng có thểhóa lỏng bằng cách làm lạnh dưới nhiệt độ điểm sôi ( áp suất thường ) haynén trên áp suất hơi bão hòa Nhưng các chất khí hóa lỏng này sẽ hóa hơingay sau khi thoát ra ngoài ở nhiệt độ thường Tính chất này cho phép tavận chuyển, tàng trữ LPG dưới dạng lỏng nhưng sử dụng chúng dưới dạngkhí

Propan và butan đều có nhiệt độ điểm sôi thấp (đối với butan là +320Fcòn đối với propan là -440F) Nhiệt độ này đặt biệt quan trọng trong việclựa chọn vật liệu chế tạo bồn chứa và trong việc thiết lập đập chống lanchất lỏng khi xảy ra sự cố

Khi tồn tại ở trạng thái lỏng thì tỉ trọng của LPG chỉ bằng ½ so với tỉtrọng của nước nước luôn luôn nằm phía đáy của bồn Tính chất này đượcứng dụng khi thiết kế đường ống xả nước cho bồn Khi LPG thoát ra ngoàimôi trường ở dạng hơi thì chúng đều nặng hơn không khí, vì vậy chúngkhông bay lên cao mà ở rất thấp gần mặt đất và khả năng khuyết tán chậmhơn các khí nhẹ hơn Tính chất này đặt biệt quan trọng trong phòng chốngchay nổ, kiểm soát sự rò rỉ khí ra ngoài

LPG tinh khiết không gây ăn mòn đối với thép và các hợp kim củađồng Tuy nhiên khi có hợp chất bẩn khác trong thành phần sẽ gây ăn mònlớn

LPG không màu, không mùi nên để kiểm tra phát hiện rò rỉ ra môitrường ngoài phải thêm chất tạo mùi cho khí

1.6 Công nghệ sản xuất LPG

Sau khi dầu thô được làm ổn định – phân ly thì trong quá trình vậnchuyển đến nhà máy tinh chế, những lượng nhỏ quan trọng của LPG vàthành phần nhẹ hơn (metan,etan)còn ở trong dầu được đưa đến nhà máytinh luyện Tại đây dầu thô được đưa đến tháp chưng cất phân đoạn Khíthuộc thành phần nhẹ được tạo ra là sản phẩm đầu từ cột cất phân đoạn baogồm LPG, etan, metan Những thành phần còn lại bao gồm các phần nặngnhư : dầu mỏ, phần cặn

LPG và những phần nhẹ hơn thu được từ thành phần trực tiếp của dầuthô và từ thành phần những sản phẩm của các quá trình biến đổi tinh chếkhác nhau như: cracking, cracking xúc tác, hydrocracking, ankyl hoá

Tuỳ thuộc vào từng trường hợp mà ta áp dụng các phương pháp sảnxuất thu hồi LPG ở trong các nhà máy chế biến khí hay nhà máy tinh chếnhư : phương pháp nén, phương pháp làm lạnh, phương pháp hấp thụ, hấpphụ…

Một quá trình sản xuất LPG gồm 3 công đoạn chính:

- Chuẩn bị nguyên liệu

- Chế biến khí

- Pha trộn thành phần LPG

Việc lựa chọn hướng chế biến khí được quyết định bởi tính chất hoá lícủa hỗn hợp khí, mức độ phát triển của công nghệ chế biến khí và nhữngnhu cầu của nền kinh tế đối với sản phẩm Công nghệ được lựa chọn đặcbiệt quan trọng và phụ thuộc vào hàng loạt yếu tố như : chất lượng nguyênliệu khí, các thông số công nghệ, các yếu tố ảnh hưởng, chu trình làmlạnh…

Sau khi thu được khí qua các công đoạn như thu gom, xử lí, tách cácthành phần khí bằng các cách khác nhau Cuối cùng là công đoạn pha trộnthành phần LPG để tạo ra sản phẩm LPG

Công đoạn pha trộn là công đoạn đơn giản nhất trong các công đoạn sảnxuất LPG Tuỳ theo nhu cầu thị trường về tiêu thụ sản phẩm LPG mà cácnhà sản xuất sau khi đã có thành phần khí C3 và C4 riêng biệt sẽ đem trộnlẫn chúng với nhau theo 1 tỉ lệ thích hợp làm sao đáp ứng tốt về nhiệt trịcũng như tính an toàn Trong quá trình pha trộn thành phần LPG thì chế độcông nghệ phụ thuộc vào tỉ lệ cấu tử chính là butan và propan cũng nhưnăng suất thiết bị Tuỳ theo mục đích sử dụng mà người ta dùng các loạimáy nén 1 cấp, 2 cấp, hay 3 cấp cùng với thiết bị chứa chuyên dụng để nạp,nén, tồn chứa LPG tại áp suất khác nhau.

Chương II :Tổng quan về bể chứa

Loại bể này chủ yếu hình trụ với nhiều kiểu mái khác nhau Bể

chứa áp lực thấp thường được dùng để chứa các chất lỏng dễ bay hơi như:

—Đáy bể: Được đặt trên nền cát đầm chặt hoặc nền được gia cố có lớpcách nước và được hàn từ các tấm thép.

—Thân bể: Là bộ phận chịu lực chính, gồm nhiều khoang thép tấm hàn lại,

có thể thay đổi được hoặc không thay đổi chiều dày dọc theo thành bể

—Mái bể: Cũng đựơc tổ hợp từ các tấm thép hàn lại với các dạng chínhnhư sau: Mái nón, mái treo, mái trụ cầu, mái vòm (xem hình dưới)

2.2.1.2 Bể chứa trụ đứng mái phao

Loại bể này hiện nay được sử dụng khá nhiều trên thế giới Việc sửdụng loại mái mang lại hiệu quả kinh tế cao, làm giảm đáng kể sự mấtmát hydrocacbon nhẹ, giảm ô nhiễm môi trường xung quanh Việc loạitrừ khoảng không gian hơi trên bề mặt xăng dầu chứa trong bể, cho phéptăng mức độ an toàn phòng cháy và vệ sinh môi trường hơn các loại bểkhác

Trên thực tế, người ta hay dùng hai loại bể: Bể hở có mái phao

và bể kín có mái phao Trường hợp bể hở có hệ số xuất nhập lớn và nằmtrong vùng khí hậu không có tuyết thường dùng kiểu mái hở không cóphao

—Thân bể có mặt trong nhẵn để đảm bảo độ kín khít.

—Mái do có thêm phao nổi vì vậy mái chỉ đóng vai trò bao che chứkhông đóng vai trò chịu lực

từ các tấm thép và được hàn tự động trong xưởng chết tạo Bên trong cònđược bố trí thêm các vành gia cường để đảm bảo độ ổn định cũng như

2.2.2.1 Bể trụ đứng mái cầu

Loại bể này dùng để chứa sản phẩm dầu, xăng nhẹ dưới áp lực dư

Pd = 0.01 - 0.07 Mpa Mái gồm các tấm cong chỉ theo phương kinh tuyếnvới bán kính cong bằng đường kính thân bể Thân bể được tổ hợp hàn từnhững tấm thép, bề dày thân bể có thể thay đổi được hoặc không thayđổi dọc theo chiều cao thành bể Đáy bể cũng được đặt trên nền gia cốvới móng bằng bê tông cốt thép

Đối với loại bể này khi chế tạo phải chế tạo neo giữ vì khi trong bểcòn ít chất lỏng, dưới tác dụng của áp lực dư lớn, phần xung quanh đáy cóthể bị uốn cong nâng lên cùng bể

Bể cầu chế tạo phức tạp hơn nhiều so với bể trụ Bể được hàn tổ hợp

từ các tấm cong hai chiều được chế tạo bằng cách cán nguội hoặc dậpnóng (Khi chiều dày lớn) Các tấm thường được hàn với nhau bằng đườnghàn đối đầu Cách chia tấm trên mặt cầu có nhiều dạng khác nhau: múikinh tuyến với các mạch nối song song hoặc so le

Bể được đặt trên gối dạng vành hay thanh chống bằng thép ốnghoặc thép chữ I Dùng thanh chống đảm bảo được biến dạng nhiệt tự docho bể Các thanh chống nên tiếp xúc với mặt bể để giảm ứng suất cục

bộ và không tỳ vào đường hàn nối các tấm của vỏ bể

2.2.2.3 Bể trụ nằm ngang

Bể chứa trụ ngang dùng để chứa các sản phẩm dầu mỏ dưới áp lực

dư Pd < 0.2 Mpa và hơi hoá lỏng có Pd < 1.8 Mpa Thể tích bể V < 100m3 đối với các sản phẩm dầu khí và V < 500 m3 đối với hơi hoá lỏng

Bể chứa trụ ngang có các ưu điểm chính sau: hình dạng đơn giản, dễchế tạo, có khả năng chế tạo tại nhà máy rồi vận chuyển đến nơi xâydựng Nhược điểm là đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cao và thể tích chứa nhỏ(gối đỡ thì bể nào cũng có)

Bể trụ ngang gồm ba bộ phận chính: Thân, đáy và gối tựa Thân bểbằng thép tấm gồm nhiều khoang, các tấm trong cùng khoang và cáckhoang được hàn lại với nhau bằng đường hàn đối đầu, bên trong bể cógia cường bằng các đai thép hình có hình dạng khác nhau: phẳng, nón,trụ, cầu elip Việc chọn dạng đáy phụ thuộc thể tích, áp lực dư trong bểchứa được đặt trên nền móng bằng bê tông cốt thép

2.3 Cấu tạo của bồn chứa.

Trong hệ thống bồn chứa gồm có các bồn chứa hình trụ chịu áp chứasản phẩm, các bồn chứa này đều được thiết kế chung cho một tiêu chuẩntàng chứa propan

Bồn chứa là loại chịu áp lực cao hình trụ nằm ngang, bồn được đặt