Phần V: tìm hiểu về LPG
V.2. Nguồn gốc thành phần tính chất của khí đồng hành
Khí đồng hành nhận đợc từ các mỏ dầu cùng với quá trình khai thác dầu mỏ. Trong thành phần của khí đồng hành ngoài cấu tử chính là metan còn có etan, propan, butan và các hydrocacbon nặng với hàm lợng đáng kể. Thành phần những cấu tử cơ bản trong khí thay đổi trong một phạm vi khá rộng tuỳ theo mỏ dầu khai thác. Ngoài ra trong thành phần khí đồng hành còn có H2O, H2S và các hợp chất chứa lu huỳnh, CO2, N2, và He...
Ngời ta có thể phân loại khí theo hàm lợng hydrocacbon từ propan trở lên. Khí giàu propan, butan và các hydrocacbon nặng đợc gọi là khí béo (hoặc khí dầu). Từ khí này ngời ta chế đợc xăng khí, khí hoá lỏng (LPG) và các hydrocacbon riêng biệt cho tổng hợp hữu cơ. Còn khí chứa ít hydrocacbon nặng (từ propan trở lên) gọi là khí khô (hoặc khí gầy), đợc sử dụng làm nhiên liệu cho công nghiệp và đời sống, làm nguyên liệu cho công nghệ tổng hợp hữu cơ, nguyên liệu cho nhà máy phân đạm, sản xuất etylen, axetylen, etanol...
Trong bảng sau đa ra thành phần của khí đồng hành khai thác từ một vài mỏ ở CHLB Nga và Việt Nam. Thành phần các cấu tử tính bằng phần trăm thể tích.
Cấu tử CHLB Nga Việt Nam
Quibisep Volgagrad Bạch Hổ Đại Hùng Rồng
CH4 39,91 76,25 73,0 77,0 78,0 C2H6 23,32 8,13 13,0 10,0 3,0 C3H8 17,72 8,96 7,0 5,0 2,0 C4H10 5,78 3,54 2,9 3,3 1,0 C5+ 1,1 3,33 2,5 1,2 1,0 N2 11,36 1,25 0,5 0,5 3,3 CO2 0,46 0,83 0,7 2,0 3,0 H2S 0,35 - - - - Thuật ngữ “ Khí đồng hành hoá lỏng ” (LPG) dùng để chỉ hỗn hợp các hydrocacbon mà các cấu tử chính trong đó là propan, n-butan, isobutan, propen và buten. Các cấu tử này cũng nh hỗn hợp của chúng ở nhiệt độ và áp suất bình thờng tồn tại ở trạng thái khí, nhng có thể bị hoá lỏng bởi làm lạnh, nén hay kết hợp cả hai quá trình.
LPG đợc sản xuất từ hai nguồn riêng biệt. Thứ nhất là tách từ dầu thô và khí tự nhiên ở nơi sản xuất từ mỏ chứa. Lợng Propan, Butan trong dòng lỏng khác nhau rất nhiều, phụ thuộc vào bản chất của mỏ chứa.
Mức độ nhận Propan, Butan và các hydrocacbon nặng hơn từ khí phụ thuộc vào bản chất của khí đợc sản xuất ra và đặc tính của khí đợc vân chuyển đến ngời tiêu thụ. Trớc khi tàng trữ hay vận chuyển dầu thô bởi tàu chở dầu, áp suất hơi của nó phải đợc làm thấp đi để có thể chứa trong các xitéc của tàu thuỷ. Quá trình làm giảm trên, đợc gọi là quá trình làm ổn định, đợc thực hiện bởi sự tách Propan, Butan và các cấu tử nhẹ hơn để tạo thành dầu thô và khí tự nhiên đã đợc ổn định hoá. Trong trờng hợp này, các cấu tử trong LPG chủ yếu là các hydrocacbon no nh propan, n-butan và isobutan.
Thứ hai, LPG đợc tạo thành từ các quá trình xử lý và chế biến dầu thô nh là một sản phẩm phụ từ các thiết bị hoá học. Phần Propan, Butan còn lại trong dầu thô đã đợc ổn định hoá bị tách ra trong quá trình tinh chế ở cột phân đoạn dầu thô. Các thành phần của LPG này là propan, n-butan và isobutan. Ngoài ra LPG còn đợc sản xuất từ các quá trình chuyển hoá nh reforming xúc tác, cracking nhiệt, cracking xúc tác và hydrocracking. Thành phần của LPG này phụ thuộc vào các quá trình trên nhng đặc trng là bao gồm cả những hợp chất no (propan, n-butan, isobutan) và cả những hợp chất không no nh propen và buten.
Tính chất vật lý của các cấu tử chính trong LPG đợc chỉ ra trong bảng sau:
Cấu tử Nhiệt độ sôi, 0C (ở 101,3 kPa) áp suất hơi, kPa (ở 37,80C) Tỷ trọng của lỏng, kg/m3
(ở áp suất hơp bão hoà, 15,60C) Nhiệt cháy, kJ/kg (ở 250C) Propan -42,1 1310 506,0 50 014 n-Butan -0,5 356 583,0 49 155 IsoButan -11,8 498 561,5 49 051 Propen -47,7 1561 520,4 48 954 1-Buten -6,3 435 599,6 48 092 Cis-2- buten 3,7 314 625,4 47 941 Trans-2- Buten 0,9 343 608,2 47 878 IsoButen -6,9 435 600,5 47 786
V.3.Một số đặc tính hoá lý thơng mại V.3.1.Trạng thái tồn tại
ở điều kiện nhiệt độ và áp suất thờng, LPG tồn tại ở trạng thái hơi. Do LPG có tỷ số giãn nở lớn: 1 đơn vị thể tích Gas lỏng tạo ra 250 đơn vị thể tích Gas hơi, vì vậy để thuận tiện và kinh tế trong tồn chứa, vận chuyển, LPG đợc hoá lỏng bằng cách nén vào các bình chứa chịu áp lực ở nhiệt độ thờng hoặc làm lạnh hoá lỏng để tồn chá ở áp suất thấp.
Đặc trng lớn nhất của LPG là chúng đợc tồn chứa ở trạng thái bão hoà, tức là tồn tại ở cả dạng lỏng và dạng hơi, nên với thành phần không đổi (Ví dụ: 70% Butan và 30% Propan) áp suất bão hoà trong bình chứa không phụ thuộc vào lợng LPG có trong bình, mà hoàn toàn phụ thuộc vào nhiệt độ bên ngoài.
Khi chuyển từ pha lỏng sang pha hơi, LPG thu nhiệt. Năng lợng cần thiết lấy từ bản thân LPG và từ môi trờng xung quanh, vì vậy nhiệt độ LPG và bình chứa giảm xuống. Đặc biệt khi quá trình hoá hơi xảy ra dữ dội gây, do giảm áp đến áp suất khí quyển, LPG làm lạnh không khí, bình chứa gây nên hiện t- ợngtạo tuyết hoặc sơng (khi này nhiệt độ đạt đến nhiệt độ điểm sơng). Ngợc lại khi hơi LPG ngng tụ chuyển sang pha lỏng thì LPG toả nhiệt dẫn đến làm tăng nhiệt độ LPG và thiết bị công nghệ tồn chứa dẫn đnế tăng áp suất của LPG.
V.3.2Nhiệt độ sôi
ở áp suất khí quyển: Butan sôi ở –0,50các và Propan sôi ở –420C. Chính vì vậy, ở nhiệt độ và áp suất thờng LPG bay hơi dữ dội.
V.3.3.Tỉ trọng
a. Tỷ trọng thể lỏng: ở điều kiện 150, 760mmHg, tỷ trong của Butan bằng 0,575 và của Propan bằng 0,51. Nh vậy ở thể lỏng tỷ trọng của LPG xấp xỉ bằng một nửa tỷ trọng của nớc.
b. Tỷ trọng thể khí: ở điều kiện thờng 150C, 760mmHg, tỷ trọng của Butan hơi bằng 2,01 và của Propan hơi bằng 1,52. Nh vậy ở thể hơi tỷ trọng của LPG gần gấp 2 lần tỷ trọng không khí.
Vì vậy nếu thoát ra ngoài hơi Gas sẽ lan truyền dới mặt đất ở những nơi trũng nh rãnh nớc , hố ga… tuy nhiên hơi cũng phân tán ngay khi có gió.
V.3.4.áp suất hơi bão hoà
áp suất hơi bão hoà của LPG phụ thuộc vào nhiệt độ bên ngoài của thiết bị và tỷ lệ thành phần Butan/Propan. LPG với thành phần 70% Butan và 30% Propan có áp suất hơi bão hoà 6kg/cm2, ở cùng điều kiện nhiệt độ khi thay đổi thành phần hỗn hợp, áp suất hơi bão hoà cũng thay đổi. áp suất hơi của Gas phụ thuộc rất lớn vào môi trờng xung quanh. Nhiệt độ môi trờng càng cao, áp suất hơi trong bồn chứa càng lớn.
V.3.5.Tính dãn nở
Propan và Butan là các loại khí ở trạng thái tự nhiên, nhng đợc nén thành trạng thái lỏng để vận chuyển và tàng trữ. Sự dãn nở nhiệt của LPG lỏng rất lớn (lớn gấp 15- 20 lần so với nớc và lớn hơn rất nhiều so với cácác sản phẩm dầu mỏ khác). Do đó các bình chứa, bồn chứa LPG chỉ đợc chứa đến 80 – 85% dung tích toàn phần để có không gian cho LPG lỏng dãn nở khi nhiệt độ tăng. Khí hoá lỏng, Propan luôn luôn sôi ở nhiệt độ thờng. Mọi sự giảm nhẹ áp suất hoặc tăng nhiệt độ đều làm cho Propan sôi và tạo hơi. Đây là đặc tính nổi bật cần đợc quan tâm khi chuyển khí hoá lỏng từ bồn này sang bồn khác.
Khi chuyển sang pha hơi 1 đơn vị thể tích lỏng tạo ra 250 lần đơn vị thể tích hơi. Điều này mang một ý nghĩa kinh tế rất lớn so với các loại khí nén khác, vì chỉ cần ít không gian, tức là thiết bị công nghệ nhỏ cho tồn chứa vận chuyển. Gas có tốc độ bốc hơi nhanh và toả lan trong không khí với một thể tích bằng 250 lần lớn hơn một đơn vị thể tích ở trạng thái lỏng. Do dó, trong mọi trờng hợp không đợc để Gas xì thoát ra ngoài khi khu vực xung quanh so nguồn lửa hở, vì dễ bị bắt cháy.
V.3.6.Giới hạn cháy nổ
Giới hạn cháy nổ của hoi Gas trong hỗn hợp không khí- Gas hay trong hỗn hợp oxy- Gas là phần trăm thể tích hơi Gas để tự bắt cháy, nổ. Giới hạn cháy nổ của hơi Gas trong không khí rất hẹp từ 1,5- 10% thể tích. Chính vì vậy, LPG an toàn cháy nổ hơn rất nhiều nhiên liệu khác.
Giới hạn cháy nổ của LPG trong hỗn hợp không khí – Gas đợc trình bày trong bảng.
Bảng: Giới hạn cháy của LPG trong hỗn hợp không khí – Gas.
STT Nhiên liệu Giới hạn cháynổ dới
(% thể tích) Giới hạn cháy nổ trên(% thể tích)
1 Propan 2,2 10,0 2 Butan 1,8 9,0 3 Khí than 4,0 29,0 4 Khí than ớt 5,0 46,0 5 Hydro 4,0 75,0 6 Axetylen 2,5 80,0 7 Xăng 0,5 7,0 V.3.7.Nhiệt trị
Chỉ tiêu đáng lu ý nhất là thành phần hoá học của LPG mà chủ yếu là Propan và Butan. Hàm lợng Propan càng nhiều thì áp suất hơi càng cao, nhiệt trị càng lớn
Nhiệt trị của LPG so với một số loại nhiên liệu, năng lợng khác đợc trình bầy trên bảng 2.
Bảng: Nhiệt trị của LPG và một số loại nhiên liệu, năng lợng
STT Nhiên liệu,
năng lợng Nhiệt lợng có ích(kcal/kg) Nhiệt lợng toàn phần(kcal/kg)
1 Propan 11000 11900 2 Butan 10900 11800 3 Axetylen 11530 11950 4 Hydro 28800 34000 5 Dầu FO 9880 10500 6 Dầu FO 10250 10900 7 Dầu hoả 10400 11100 8 Xăng 10500 11300 9 Than củi 7900 8050 10 Than 4200 8100 44008300 11 Than cốc 5800 5850 12 Củi 1800 400 22004700
13 Điện năng 860kcal/kw.h
Trong đó:
- Nhiệt lợng toàn phần: Tổng nhiệt lợng sinh ra trình cháy hoàn toàn.
- Nhiệt lợng có ích= Nhiệt lợng toàn phần – Nhiệt lợng phải cung cấp để hoá hơi sản phẩm phụ của phản ứng cháy(nớc).
Một cách tơng đối có thể so sánh: Nhiệt lợng do 1 kg LPG cung cấo bằng 14KWh điện năng, bằng 1,5 lít dầu hoả…
V.3.8.Nhiệt độ tự bắt cháy
Nhiệt độ tự bắt cháy là nhiệt độ mà ở đó có phản ứng cháy tự xảy ra đối với hỗn hợp không khí- nhiên liệu (hoặc oxy- nhiên liệu). Nhiệt độ tự bắt cháy
tối thiểu phụ thuộc vào thiết bị thử, tỷ lệ không khí/ nhiên liệu , áp suất hỗn hợp . Một số giá trị đặc trng nhiệt độ tự bắt cháy của một số loại nhiên liệu tại áp suất khí quyển (trong không khí hoặc trong oxy) đợc trình bày ở bảng
Bảng: Nhiệt độ tự bắt cháy của một số loại nhiên liệu tại áp suất khí quyển
STT Nhiên liệu Nhiệt độ tự bắt cháy tối thiểu (0C) Trong không khí Trong oxy
1 Propan 400-580 470-575 2 Butan 410-550 280-550 3 Axetylen 305-500 295-440 4 Hydro 550-59000000 560 5 Dầu DO 250-340 >240 6 Xăng 280-430 >240 7 Dầu hoả >250 >240 8 Than 370-500 >240 9 Than cốc 425-650 >240 10 Metan 630-750 V.3.9.Nhiệt độ ngọn lửa
Nhiệt độ ngọn lửa của nhiên liệu cháy trong không khí hoặc oxy đợc xác định bằng phơng pháp đo hoặc tính toán. Nhiệt độ ngọn lửa của LPG và một số loại nhiên liệu khác đợc trình bày trên bảng:
Bảng : Nhiệt độ ngọn lửa của một số loại nhiên liệu
STT Nhiên
liệu Nhiệt độ ngọn lửa (
0C)
Trong không khí Trong oxy
Tính toán Đo Tính toán Đo
1 Propan 2000 1930 2850 2740 2 Butan 2000 1900 2850 3 Axetylen 2325 3200 31500 4 Hydro 1960 2045 2980 2660 5 Metan 1990 1925 2800 2720 V.3.10.Vận tốc ngọn lửa
Vận tốc ngọn lửa (hoặc tốc độ bắt cháy) phụ thuộc vào phơng pháp đo và các điều kiện thử. Bảng sau giới thiệu một số vận tốc ngọn lửa tối đa của hỗn hợp không khí – nhiên liệu ở áp suất và nhiệt độ khí qiyển trong ôngs có đ- ờng kính khác nhau. Từ bảng này ta thấy vận tốc ngọn lửa trong ống đờng kính 2,54cm của hơi LPG là 82,2 cm/s, của Axetylen là 2,86cm/s.
Bảng: Vận tốc ngọn lửa của một số là nhiên liệu
STT Nhiên liệu Đờng kính ống thử Vận tốc ngọn lửa tối đa (cm/s) 1 Propan 1,27 2,54 30,48 44,0 82,2 216 2 n- Butan 2,54 30,48 82,2210 3 Axetylen 2,54 8,89 286342 V.3.11.Trị số Octan
Trị số Octan của LPG rất cao. Trị số Octan của Propan và Butan theo tiêu chuẩn ASTM đợc trình bày trong Bảng:
Bảng: Trị số Octan của Propan và Butan
Thành phần
LPG Phơng pháp động cơ D-Trị số Octan ASTM
357 Phơng pháp nghiên cứuD-908
Propan 99,5 111,4
Butan 89,1 94,0
V.3.12.Thể tích phân tử gam
ở điều kiện tiêu chuẩn (00C, 1 atm): 1 mol hơi Propan có thể tích 21,98 lít, 1 mol Butan có thể tích 21,58 lít.
V.3.13.Độ nhớt
LPG có độ nhớt rất thấp, ở 200C độ nhớt của LPG là 0,3 cSt. Chính vì vậy, LPG có tính linh động cao, có thể rò rỉ, thẩm thấu ở những nơi mà nớc và xăng dầu không rò rỉ nên dễ làm hỏng dầu mỡ bôi trơn tại các vị trí làm kín không tốt.
V.3.14.Tính độc
LPG hoàn toàn không gây độc cho ngời, không gây ô nhiễm môi trờng. Tuy mhiên, do hơi Gas nặng hơn không hkí, vì vậy nếu rò rỉ ra ngoài trong môi trờng kín sẽ chiếm chỗ của không khí và có thể gây ngạt. LPG còn là nhiên liệu rất sạch: hàm lợng lu huỳnh thấp (<0,02%), khi cháy chỉ tạo ra khí CO2 và hơi nớc, lợng khí độc SO2, H2S, CO của quá trình cháy là rất nhỏ, không gây ảnh hởng tới môi trờng.
V.3.15.Màu sắc, mùi vị:
LPG ở thể lỏng và hơi đều không màu, không mùi. Vì lý do an toàn nên LPG đợc pha thêm chất tạo mùi để dễ phát hiện khi rò rỉ. Các nhà sản xuất trộn vào Gas những chất tạo mùi đặc trng. Theo đa số các tiêu chuẩn an toàn, chất tạo mùi và nồng độ pha chế phải thích hợp sao cho có thể phát hiện đợc trớc kho hơi Gas rò đạt nồng độ bằng 1/5 giới hạn nổ dới. Khi trong không khí có độ 0,5% Gas là ta đã có thể ngửi thấy mùi.
LPG thơng mại thờng đợc pha thêm chất tạo mùi Etyl Mecaptan và khí này có mùi đặc trng, hoà tan tốt trong LPG, không độc, không gây ăm mòn kim loại và tốc độ bay hơi gần với LPG nên nồng độ trong LPG không đổi khi bình chứa đợc sử dụng cho đến hết.
V.3.16.Yêu cầu kỹ thuật đối với khí đốt hoá lỏng
Đặc tính Phơng
pháp thử Propan th-ơng mại Butan th-ơng mại Propan thơng mạiHỗn hợp Butan, Thành phần ASTM D- 2163 Chủ yếu làC3H8 và/ hoặc C3H6 Chủ yếu là C4H10 và/ hoặc C4H8 Hỗn hợp chủ yếu gồm C4H10 và/ hoặc C4H8 với C3H8, và/ hoặc C3H6 áp suất hơi ở
37,80C, kpa, max ASTMD- 1267 hoặc ASTM D- 2598 1430 1485 1430 Nhiệt độ bốc hơi 95% thể tích, 0C, max ASTM D– 1837 - 38,3 2,2 2,2 Thành phần cặn sau khi bốc hơi 100ml, ml, max ASTM D- 2158- 89 0,05 0,05 0,05 Hàm lợng lu ASTM 185 140 140
huỳnh, mgk/kg,
max D- 2784-89
V.4.ứng dụng của LPG .
LPG đợc sử dụng trong mọi lĩnh vực của cuộc sống. Một cách tơng đối có thể phân chia các ứng dụng của LPG nh sau:
1. Sử dụng LPG trong dân dụng: Trong đời sống hàng ngày LPG đợc sử dụng rất rộng rãi:
- Sử dụng trong nấu nớng: sử dụng cho các bếp Gas dân dụng, lò nớng,...
- Sử dụng LPG thay thế điện trong các bình đun nớc nóng: Bình đun nớc nóng bằng LPG đã đợc phát triển rất rộng rãi trên thế giới, đặc biệt là tại cácác nớc ôn đới. ở Việt Nam, việc sử dụng các bình đun nớc dạng này còn tơng đối hạn chế.
- Ngoài ra còn rất nhiều ứng dụng LPG trong các hệ thống sởi ấm nhà ở, chiếu sáng, giặt là...
2. Sử dụng LPG trong thơng mại: Việc sử dụng LPG trong thơng mại, cũng tơng tự nh trong dân dụng nhng ở quy mô lớn hơn rất nhiều:
- Sử dụng LPG trong các nhà hàng: sử dụng cho các bếp công nghiệp, lò nớng, đun nớc nóng...