Tổng quan về khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG)
Khái niệm chung về LPG
Khí dầu mỏ hóa lỏng (Liquefied Petroleum Gas-LPG), gọi tắt là khí hố lỏng, thường được gọi là gas, là khí hoặc hỗn hợp khí có thành phần hóa học chủ yếu là hydrocarbon no dạng parafin, công thức tổng quát là: CnH2n+2như: propane (C3H8), butane (C4H10) ... Ngồi ra, có khả năng xuất hiện vết của ethane (C2H6), pentane (C5H12) ethylene (C2H4), butadiene 1,3 (C4H6)…nhưng không đạt tỷ lệ đo được. LPG cũng có thể có hydrocarbon dạng olefin hay khơng olefin, phụ thuộc vào phương pháp chế biến. Tùy điều kiện chế biến và yêu cầu sử dụng, thành phần của propane và butane trong hỗn hợp sẽ khác nhau. LPG có thể là propane thương phẩm hay butane thương phẩm hoặc hỗn hợp propane và butane với tỷ lệ propane/butane khác nhau, tuỳ thuộc yêu cầu khách hàng [36]. Trong luận án, LGP được hiểu là LPG thương mại gồm propane (C3)hoặc butane (C4) hoặc hỗn hợp propane – butane với tỷ lệ 50%:50% theo thể tích [89]. Tiêu chuẩn chất lượng của LPG thương phẩm được giới thiệu trong bảng 1.2
Tiêu chuẩn Việt Nam về LPG thương phẩm [36]
STT Chỉ tiêu Đơn vị Quy định
1 Hàm lượng lưu huỳnh tối đa ppm 140
2 Nhiệt trị kcal/kg 10.980 3 Tỷ trọng tại 15,6oC 0,53 – 0,56 4 Nhiệt độ bốc hơi 95% thể tích ở 760 mmHg oC 2,2 5 Thành phần: PropaneButane % thể tích% thể tích 43 – 6357 – 37
Cơng thức hố học, khối lượng phân tử, khối lượng riêng
Công thức hoá học, khối lượng phân tử, khối lượng riêng (KLR) của propane – butane được giới thiệu trong bảng 1.3
Cơng thức hố học và ký hiệu của propane – butane [36] Mơi chất Cơng thức hóa học Khối lượng phân t ử KLR của lỏngở 15 oC (kg/m3) KLR của hơiở 15 oC (kg/m3) Propane (C3H8) CH3-CH2- CH3 44,09 510 1,86 n-Butane (C4H10) CH3-CH2- CH2-CH3 58,12 575 2,6
Trạng thái tồn tại và quan hệ áp suất-nhiệt độ-thành phần
Trong thiết bị, LPG được tồn trữ ở trạng thái lỏng bão hịa. Ở điều kiện khí quyển, LPG tồn tại ở trạng thái hơi. Quan hệ giữa áp suất bão hòa, thành phần và nhiệt độ của LPG được xác định bằng phương trình trạng thái của khí thực hoặc sử dụng bảng hay đồ thị. Hiện có nhiều phương trình trạng thái của khí thực nhưng phương trình thường được sử dụng là phương trình của Van Der Waals [79]:
(1.7) Đối với LPG, a và b có giá trị như sau:
• Butane: a =13,86 [bar.(m3/kmol)2]; b = 0,1162 [m3/kmol]; • Propane: a =9,349 [bar.(m3/kmol)2]; b = 0,0901[m3/kmol].
Tính cháy, nổ
Đặc trưng nguy hiểm cháy, nổ là nhiệt độ tự bốc cháy và khoảng cháy, nổ. Giới hạn và thơng số cháy, nổ của LPG trong khơng khí được cho trong bảng 1.4
Bảng 1. 4: Bảng thông số cháy, nổ của LPG [36]
Bảng thông số cháy, nổ của LPG [36] Môi chất Nhiệtđộ bay hơi ở áp suất khí
quyển (0C) Nhiệt độ tự cháy (0C) Giới hạn cháy(% thể tích) dưới trên
Nhiệt trị(kcal/ kg)
Nhiệt độ ngọn lửa khi cháy trong khơng khí (0C)
Propane - 42 400?580 2,2 10 11.900 1.930
Butane - 0,5 410?550 1,8 9 11.800 1.900
Quan hệ giữa áp suất tương đối, nhiệt độ bão hòa và thành phần của LPG được giới thiệu trên hình 2 [157].
Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa áp suất tương đối, nhiệt độ bão hòa và thành phần LPG
Tính dãn nở
LPG có hệ số dãn nở thể tích rất lớn, 1 đơn vị thể tích LPG lỏng tạo ra khoảng 250 đơn vị thể tích LPG hơi [89]. Bảng tính chất nhiệt-vật lý và đồ thị lg p-h của propane, butane được giới thiệu trong phần phụ lục [39]. Hệ số dãn nở thể tích của LPG lớn là thuận lợi để sử dụng nhưng cũng làm gia tăng tác hại nếu xảy ra sự cố vì phạm vi ảnh hưởng của sự cố sẽ tăng cao.
Độ nhớt
Ở 200C độ nhớt của LPG là 0,3 cSt. Do có độ nhớt rất thấp nên LPG có tính linh động cao, rất dễ rị rỉ.
Đặc tính ăn mịn:
LPG tinh khiết khơng ăn mịn kim loại.
Thơng số tới hạn
Thông số tới hạn của LPG được giới thiệu trong bảng 1.5 Thông số tới hạn của LPG [36] Hydrocarbon Tại nhiệt độ tới hạn Tại áp suất tới hạn Nhiệt độ (oC) Áp suất tuyệt đối (kG/cm2) Tỷ trọng LPG lỏng (kg/l) Điểm chảy tanMP Điểm sôiBP Tỷ trọng LPG lỏng ở BP (kg/ l) Propane 96,8 43,4 0,220 -187,6 -42,1 0,585 n-butane 152 38,8 0,228 -138,3 -0,5 0,6 Iso-butane 135,0 37,2 0,221 -159,6 -11,7 0,598
Ghi chú: MP: Melting point: điểm nóng chảy; BP: Boiling point: điểm sơi.
Vận tốc ngọn lửa
Bảng 1.6 giới thiệu vận tốc ngọn lửa tối đa của hỗn hợp LPG - khơng khí ở áp suất và nhiệt độ khí quyển trong ống dẫn có đường kính khác nhau.
Vận tốc ngọn lửa của LPG [36]
STT Nhiên liệu Đường kính ống thử(cm) Vận tốc ngọn lửa tối đa(cm/s)
1 Propane 2,5430,4 82,2216
2 n – Butane 2,5430,4 82,2210
Nhiệt độ ngọn lửa cao là yếu tố gây tác động nhiệt lớn. Vận tốc ngọn lửa khi cháy LPG khá lớn nên khi xảy ra cháy, ngọn lửa sẽ lan nhanh, rộng và mãnh liệt, gây khó khăn cho
chữa cháy và gây thiệt hại lớn. Các thông số nhiệt –vật lý của LPG được trình bày trong phụ lục 7.
Độc tính [89]
LPG khơng chứa các hydrocarbon thơm, khơng chứa chì, do vậy, LPG khơng phải là chất có độc tính cao đối với con người và môi trường. Do hàm lượng lưu huỳnh thấp (< 0,02%), nên LPG được coi là nhiên liệu sạch. Nhưng khi cháy, LPG tạo ra khí CO, CO2, gây ảnh hưởng đến mơi trường và con nguời.
Màu sắc, mùi vị [89]
Ở dạng tinh khiết, LPG ở trạng thái lỏng và hơi LPG không màu, khơng mùi, khơng phải là chất có độc tính cao với sinh vật nên khi LPG rị rỉ sẽ khơng được phát hiện kịp thời. Do LPG tinh khiết khơng có mùi nên khó nhận biết bằng khứu giác, do vậy LPG thương mại được pha thêm chất tạo mùi mercaptan với tỉ lệ 30g ÷ 40g mercaptan/1 tấn LPG để có mùi đặc trưng nhằm dễ phát hiện ở nồng độ xấp xỉ 4000 ppm trong khơng khí trước khi hơi LPG đạt nồng độ bằng 1/5 giới hạn cháy, nổ dưới. Mercaptan là những hợp chất hữu cơchứalưu huỳnh. Công thức phân tử giống công thức của ancol, nhưng oxi của OH được thay bằng lưu huỳnh, ví dụ etyl mecaptan (CH3CH2SH). Mercaptan có mùi thối, gây độc qua đường hơ hấp, là chất kích thích mạnh. Mùi của mercaptan là yếu tố gây ơ nhiễm mơi trường nếu xảy ra rị rỉ, nổ thiết bị chứa LPG [36].
Phân loại
Căn cứ vào công dụng, LPG được phân ra [89]:
• LPG dùng làm nhiên liệu: LPG là nhiên liệu có nhiệt trị cao, sạch, ít gây ơ nhiễm môi trường, dễ thực hiện các biện pháp công nghệ, trị số Octan cao nên LPG được sử dụng làm nhiên liệu thay thế xăng, dầu. Khi cháy, LPG toả ra ít khói, hàm lượng CO thải ra thấp hơn 3 ÷ 4 lần, lượng NOxgiảm 15%÷20% so với xăng, dầu khơng chứa chì nên khơng gây độc hại. LPG được đốt cháy hồn tồn trong động cơ, độ ồn của động cơ thấp.
• LPG dùng làm ngun liệu trong cơng nghiệp hóa dầu: Làm nguyên liệuđể tổng hợp các olefine như propylen, butylen, butadien …
• LPG dùng làm mơi chất lạnh: Sử dụng LPG trong kỹ thuật lạnh và điều hịa khơng khí là xu hướng hiện nay trên thế giới. Phạm vi ứng dụng của LPG trong kỹ thuật lạnh và điều hịa khơng khí được giới thiệu trong bảng 1.7 [39]
Phạm vi ứng dụng của LPG trong kỹ thuật lạnh và điều hịa khơng khí Stt Mơi chất Ký hiệu Thay thế Khoảng nhiệt độ Ứng dụng
2 Iso - Butane R600a R12 C, M, F Trong đời sống
Chú thích: C (Air – Conditioning): Chế độ điều hịa; M (Medium Cooling): Chế độ lạnh trung bình; F (Freezing): Chế độ lạnh sâu.
Một số tính chất nguy hại của LPG
LPG khơng phải là chất có độc tính cao đối với con người và môi trường. Tuy nhiên, do hơi LPG nặng hơn khơng khí, nếu rị rỉ trong khơng gian kín, LPG sẽ chiếm chỗ của khơng khí và gây ngạt cho người và sinh vật. LPG có thể bị rị rỉ từ đường ống, van, chỗ nối hoặc do nổ, vỡ thiết bị, đường ống. Do nhiệt độ bay hơi ở áp suất khí quyển khá thấp, nên nếu bị rị rỉ ra mơi trường, LPG sẽ nhanh chóng hóa hơi, gây bỏng lạnh, đồng thời tạo hỗn hợp nổ với khơng khí.
Trường hợp đặc biệt nguy hiểm là hiện tượng nổ hơi do chất lỏng dãn nở sôi (BLEVE). Do LPG trong thiết bị ở dạng lỏng, nếu bị gia nhiệt từ bên ngòai (ánh nắng mặt trời, ngọn lửa, các nguồn nhiệt khác …), nhiệt độ LPG trong bình tăng tới nhiệt độ sôi, LPG sẽ bay hơi, làm tăng áp suất, dẫn tới sự cố nổ thiết bị nếu khơng có các thiết bị bảo vệ. Khi nổ thiết bị chứa LPG, có thể gây hiệu ứng “domino”, nổ thiết bị chứa LPG, đổ vỡ máy móc, thiết bị, nhà cửa, cơng trình xây dựng xung quanh.