Tài liệu Thiết kế phân xưởng sản xuất lpg từ khí đồng hành

MỤC LỤC MỞ ĐẦU................................................................................................................................5 PHẦN 1: TỔNG QUAN........................................................................................................7 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU KHÍ DẦU MỎ VÀ SẢN PHẨM KHÍ HOÁ LỎNG (LPG)................................................................................................................7 1. KHÁI NIỆM VỀ KHÍ DẦU MỎ...................................................................................7 1.1. Thành phần và đặc tính của khí dầu mỏ..................................................................7 1.2. Tiềm năng, trữ lượng và việc chế biến, sử dụng khí dầu mỏ trên thế giới và ở Việt Nam.................................................................................................................................9 2. GIỚI THIỆU VỀ LPG..................................................................................................10 2.1. LPG và sử dụng LPG.............................................................................................10 2.2. Một số đặc tính hoá lý thương mại........................................................................11 2.3. Các ứng dụng quan trọng của LPG trong các lĩnh vực khác nhau........................18 2.4. Cơ sở hóa lý của quá trình.....................................................................................20 2.5. Các thiết bị chính có trong sản xuất LPG..............................................................27 CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT LPG..................................................................34 1. THU HỒI LPG TỪ CÁC QUÁ TRÌNH TRONG NHÀ MÁY LỌC DẦU................34 1.1. Phân xưởng chưng cất dầu thô...............................................................................34 1.2. Phân xưởng Cracking xúc tác................................................................................35 1.3. Phân xưởng Reforming xúc tác.............................................................................36 2. SẢN XUẤT LPG TỪ KHÍ TỰ NHIÊN VÀ KHÍ ĐÔNG HÀNH..............................36 2.1. Chuẩn bị khí để chế biến........................................................................................37 2.2. Các công nghệ sản xuất LPG.................................................................................40 2.3. Một số công nghệ sản xuất LPG điển hình............................................................43 2.4. Lựa chọn dây chuyền công nghệ...........................................................................49 1 2.5. Thuyết minh dây chuyền công nghệ......................................................................49 PHẦN 2: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ...............................................................................53 1. CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA HỖN HỢP KHÍ NGUYÊN LIỆU...............53 2. MÔ PHỎNG DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ BẰNG PHẦN MỀM HYSYS...........54 3. TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG TỪNG THIẾT BỊ..........................................................................................................................67 3.1. Thiết bị Slug Catcher.............................................................................................67 3.2.Thiết bị phân tách thu hồi lỏng V-101....................................................................68 3.3.Thiết bị tách nhanh V-03.........................................................................................70 3.4.Tháp tách nước V-06...............................................................................................72 3.5.Tháp tách Metan C-05.............................................................................................74 3.6.Tháp tách Etan C-01................................................................................................76 3.7.Tháp tách Condensat C-02......................................................................................78 3.8.Tháp phân tách Bu-pro C-03...................................................................................80 4. CÂN BẰNG CHUNG CỦA HỆ THỐNG...................................................................82 4.1.Cân bằng vật chất....................................................................................................82 4.2.Cân bằng nhiệt lượng..............................................................................................84 5. TÍNH TOÁN KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ CHÍNH.......................................................85 5.1.Tháp tách C3/C4......................................................................................................85 5.2.Tháp tách Bupro......................................................................................................86 PHẦN 3:THIẾT KẾ XÂY DỰNG......................................................................................89 1.ĐẶC ĐIỂM CỦA PHÂN XƯỞNG..............................................................................89 1.1.Đặc điểm của nguyên liệu.......................................................................................89 1.2. Đặc điểm của sản phẩm.........................................................................................89 2 1.3.Đặc điểm của dây chuyền sản xuất.........................................................................89 2. CHỌN ĐỊA ĐIỂM XÂY DỰNG.................................................................................90 2.1.Yêu cầu khi thiết kế tổng mặt bằng nhà máy.........................................................90 2.2.Giải pháp thiết kế xây dựng....................................................................................91 2.3.Mặt bằng nhà máy...................................................................................................95 PHẦN 4: TÍNH TOÁN KINH TẾ.......................................................................................98 1. MỤC ĐÍCH, Ý NGHĨA, CỦA TÍNH TOÁN KINH TẾ.............................................98 2. TÍNH TOÁN.................................................................................................................98 2.1. Chế độ vận hành của phân xưởng..........................................................................98 2.2. Hạch toán chi phí...................................................................................................98 2.3. Tính giá thành của sản phẩm...............................................................................100 2.4. Tính tổng doanh thu 1 năm..................................................................................100 2.5. Lợi nhuận kinh tế.................................................................................................100 2.6. Thuế VAT..............................................................................................................100 2.7. Tính thời gian thu hồi vốn....................................................................................100 PHẦN 5 : AN TOÀN LAO ĐỘNG...................................................................................101 1. BẢO QUẢN, VẬN CHUYỂN VÀ TỒN CHỨA LPG.............................................101 1.1. Vận chuyển LPG..................................................................................................101 1.2. Bảo quản và tồn chứa...........................................................................................101 2. AN TOÀN KHI SỬ DỤNG LPG...............................................................................102 3. AN TOÀN LAO ĐỘNG.............................................................................................103 3.1. Mục đích và ý nghĩa.............................................................................................103 3.2. Nội quy an toàn khi vào công trường nhà máy...................................................103 3.3. Các biện pháp an toàn lao động...........................................................................104 3 KẾT LUẬN........................................................................................................................106 TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................108 4 MỞ ĐẦU Việt Nam có một tiềm năng về khí khá phong phú. Nhà máy chế biến khí ở Dinh Cố (Bà Rịa Vũng Tàu) hàng năm cung cấp 300.000 tấn khí hoá lỏng (LPG) chứa propan và butan. Do đặc điểm khí của Việt Nam chứa rất ít H 2S (0,02g/m3) nên đây là loại khí rất sạch, rất thuận tiện cho chế biến và sử dụng, điều này cho phép thu được sản phẩm LPG đạt chất lượng cao. Nếu từ LPG có thể chuyển sang các nguyên liệu cho tổng hợp Hữu cơ - Hoá dầu thì giá trị kinh tế sẽ cao hơn nhiều sơ với việc sử dụng làm nhiên liệu. Mặc dù hiện nay ở Việt Nam, LPG chủ yếu chỉ được sử dụng làm nhiên liệu đốt dân dụng nhưng trong tương lai các công nghệ chuyển hoá LPG thành các nguyên liệu cho tổng hợp Hữu cơ - Hoá dầu sẽ phát triển rất mạnh mẽ. Trong những năm gần đây, khí hơi đốt dầu mỏ hoá lỏng (Liquefied petroleum Gases - LPG) là một nguồn cung cấp hơi đốt rất quan trọng đối với nước ta, cả trong dân dụng và công nghiệp. Nó đóng một phần không nhỏ vào sự phát triển của nền kinh tế quốc dân. Từ thực tiễn quí báu này, dần dần từ chỗ chúng ta nhập khẩu khí dầu mỏ hoá lỏng chủ yếu, sang chủ động sản xuất được nhờ có nhà máy xử lý khí Dinh Cố, chế biến và xử lý một lượng lớn khí đồng hành từ các mỏ dầu của nước ta như: Bạch hổ, Đại Hùng, Rồng,... Gần đây, chúng ta còn phát hiện và có những hướng phát triển mới đối với những mỏ khí lớn như: Lan Tây, Lan Đỏ,... với qui mô lớn hơn, không chỉ dừng lại ở việc cung cấp LPG cho mục đích hơi đốt thông thường. Ngày nay trên thế giới cũng như ở Việt Nam, nhu cầu sử dụng khí đốt ngày càng tăng. Chính vì thế mà nền công nghiệp khai thác và chế biến khí ngày càng phát triển để có thể đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ. Ở Việt Nam trữ lượng khí phát hiện được rất nhiều hứa hẹn cho một tiềm năng to lớn của đất nước. Trong khi lượng dầu thô ngày càng giảm, cạn kiệt thì nguồn nguyên liệu khí mới coi như bắt đầu. Do đó trong những năm tới nhu cầu tiêu thụ khí sẽ tăng lên, đặc biệt là LPG và LPG có rất nhiều ưu điểm như: dễ vận chuyển, sạch, không độc hại, không ô nhiễm nhiệt năng cũng như năng lượng cung cấp cho các quá trình lớn... 5 Trong tương lai không xa, LPG sẽ thay thế xăng cho các động cơ. Vì sử dụng nhiên liệu này có rất nhiều ưu điểm trong đó đặc biệt là không gây ô nhiễm môi trường và rất an toàn và lại rất rẻ. Hiện nay LPG chủ yếu được sư dụng trong lĩnh vực đun nấu, sinh hoạt, các lò công nghiệp. Ngoài ra trong vài năm tới LPG sẽ được sử dụng trong hầu hết các lĩnh vực của toàn xã hội. Chính vì thế những thập kỷ tới sẽ là thập kỷ của ngành công nghiệp hoá dầu - khí hoá lỏng LPG. Do đó, việc nghiên cứu thiết kế phân xưởng sản xuất LPG là rất cần thiết nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng trong nước, giảm thiểu chi phí nhập khẩu từ nước ngoài. 6 PHẦN 1: TỔNG QUAN CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU KHÍ DẦU MỎ VÀ SẢN PHẨM KHÍ HOÁ LỎNG (LPG) 1. KHÁI NIỆM VỀ KHÍ DẦU MỎ Khí nắp và khí đồng hành ở điều kiện nhiệt độ và áp suất trong vỉa dầu, các hydrocacbon có khối lượng phân tử lớn thì ở trạng thái lỏng, các hydrocacbon khối lượng phân tử thấp thì ở trạng thái khí. Trong điều kiện cân bằng khí - lỏng, phần khí hoà tan trong lỏng, phần khác nằm ở không gian phía trên lớp lỏng. Khí nằm trong không gian phía trên của tầng dầu thô như cái nắp bằng khí thì gọi là khí nắp. Khí khai thác dầu mỏ từ lòng đất ra, do giảm áp suất và nhiệt độ khí hoà tan trong dầu mỏ sẽ thoát ra. Kết quả là từ chất lỏng một pha chuyển thành dòng hai pha: pha lỏng là dầu mỏ đã nhả khí, pha khí là khí dầu mỏ. Khí này thu được đồng thời với khai thác dầu, nó đi cùng với dầu từ mỏ lên khi khai thác nên gọi là khí đồng hành (KĐH). Các hydrocacbon thu được khi khai thác dầu mỏ gọi là khí dầu mỏ. [5] 1.1. Thành phần và đặc tính của khí dầu mỏ Những cấu tử cơ bản của khí dầu mỏ (KDM) là: Metan, etan, propan, butan (nonal và iso). Khí dầu mỏ khai thác được từ các mỏ dầu, đồng thời với quá trình khai thác dầu mỏ. Khí dầu mỏ chứa một lượng lớn propan, butan và các khí hydrocacbon nặng hơn với hàm lượng 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 còn có H 2O, H2S và các hợp chất chứa S, CO2, N2 và Heli... [1] 7 Bảng 1: Thành phần các hydrocacbon trong khí đồng hành Thành phần CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C4H12 Phi hydrocacbon Khí đồng hành % thể tích 51,06 18,52 11,53 4,37 2,14 12,38 % khối lượng 35,7 24,3 22,2 11,1 6,7 - Người ta còn phân loại khí theo hàm lượng hydrocacbon từ propan trở lên. Các khí giàu propan, butan và cacbon hydro nặng (trên 150g/cm 3), được gọi là khí "béo" hoặc khí "ướt". Các khí hầu như chỉ gồm toàn metan và etan gọi là khí "khổ" hay khí "gầy" (từ propan trở lên, dưới mức 50g/cm3). Thành phần khí gồm các cấu tử tính bằng phần trăm theo thể tích. Trong bảng 2 đưa ra thành phần KDM khai thác từ một vài mỏ của CHLB Nga. Bảng 2: Thành phần KDM khai thác từ một vai mỏ của CHLB Nga (% theo thể tích). [1] Khí dầu mỏ Quibisep Volgagrat CH4 39,91 76,25 C2H6 23,31 8,13 C3H8 17,72 8,96 C4H10 (n và iso) 5,78 3,54 C5H12 (và cao hơn) 1,1 3,33 CO2 0,46 0,83 H2 S 0,35 0,83 N2 và khí trơ 11,36 1,25 Bảng 3 dưới đây cho biết thành phần khí dầu mỏ khai thác được ở một vài mỏ của Các cấu tử Việt Nam. Bảng 3: Thành phần hoá học trung bình của KDM ở Việt Nam (theo % thể tích) [1] Các cấu tử CH4 Khí dầu mỏ Bạch hổ 73 Đại hùng 77 8 Rồng 78 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 N2 CO2 13 7,0 2,9 2,5 0,5 0,7 10 5,0 3,3 1,2 0,5 3,0 3,0 2,8 1,0 1,0 13,0 2,0 Từ các số liệu nêu trên thấy rằng các cấu tử cơ bản của KDM là các hydrocacbon no, các parapin, dãy đồng đẳng của metan. Do đó trong khí dầu mỏ thành phần thay đổi trong khoảng khá rộng, các cấu tử từ C 2 trở lên đã chiếm phần lớn đáng kể trong thành phần khí. Điều đó rất quan trọng trong việc chọn công nghệ chế biến thích hợp, sử dụng hợp lý nguồn nguyên liệu và sản phẩm nhận được. 1.2. Tiềm năng, trữ lượng và việc chế biến, sử dụng khí dầu mỏ trên thế giới và ở Việt Nam Khí dầu mỏ (KDM) là nguồn chính cung cấp các nguyên liệu quan trọng nhất cho công nghệ hoá học và dầu khí. Thực tế nhiều nước trên thế giới đã cho thấy rằng với trữ lượng dầu lớn, có thể tổ chức sản xuất ở qui mô lớn có lợi nhuận cao các sản phẩm etan, khí hoá lỏng (LPG), các hydrocacbon khác, và nhiên liệu cho động cơ. Do hiệu quả cao của nhiên liệu khí và sự quan tâm ngày càng tăng đến các sản phẩm của nó trên thị trường thế giới, nhiều nước khai thác dầu khí đã xây dựng, mở rộng, và trang bị các nhà máy chế biến khí. Trong những năm gần đây ở các nước Trung Đông (Iran, Arập - Xêút, Baran,...) dự định hoàn thành và khai thác chế biến và vận chuyển khí đồng hành với tổng giá thành khoảng 33 tỷ đô la. [15] Trong những năm gần đây, nhiều nước trên thế giới có xu hướng tăng công suất các nhà máy chế biến khí. Tại hội nghị khí thế giới lần thứ 20 ở copenhagen (Đan Mạch) tháng 6 năm 1997, người ta đã đưa ra dự báo về nhu cầu khí trên thế giới đến năm 2030, chủ yếu dựa vào dự báo về nhu cầu khí cho sản xuất điện như sau. [16] Bảng 4: Dự báo về nhu cầu khí trên thế giới Năm 2000 9 2010 2020 2030 Khu vực Đông nam á và Châu Đại Dương Toàn thế giới 103 132 2547 3190 (Đơn vị: tỷ m3 khí) 157 3650 185 4088 Khí dầu mỏ của Việt Nam nói chung chứa rất ít H 2S (0,02 g/m3) nên là loại khí sạch rất thuận lợi cho việc chế biến, sử dụng, an toàn với thiết bị và không gây ô nhiễm môi trường. [5] Với tiềm năng về khí khá phong phú, nước ta có điều kiện phát triển công nghiệp dầu khí trên toàn lãnh thổ. Việc khai thác và sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên thiên nhiên quí giá này trong tương lai ngành công nghiệp này sẽ là một ngành công nghiệp phát triển mạnh, đóng góp đáng kể vào sự phát triển của đất nước. 2. GIỚI THIỆU VỀ LPG 2.1. LPG và sử dụng LPG Hoá lỏng khí dầu mỏ là quá trình tách đơn giản, vốn đầu tư ít hơn so với các quá trình tách triệt để. Thông thường người ta chỉ tách riêng metan thuần độ cao làm nguyên liệu sản xuất metanol, còn metan lẫn etan làm khí đốt công nghiệp, gia dụng phát điện hoặc xuất khẩu theo đường ống dẫn khí, hoặc tách metan + etan cho sản xuất amoniac, urê, còn lại phần hoá lỏng LPG (Liquefied petroleum Gases). [5] Thành phần hoá học chủ yếu của LPG là hydro hoá dạng parafin, có công thức chung là: CnH2n+2 như: Propan (C3H8) Propylen (C3H6) Butan (C4H10) Butylen (C4H8) Tuy nhiên vẫn có khả năng xuất hiện dấu vết của Etan (C 2H6), Etylen (C2H4) hoặc pentan (C5H12), Butadien - 1,3 (C4H6) có thể xuất hiện nhưng không đạt tới tỷ lệ đo được. 10 LPG được sản xuất từ nguồn nguyên liệu chính là khí đồng hành (KĐH) và từ các quá trình chế biến dầu mỏ như: Alkyl hoá, cracking xúc tác, polyme hoá, isome hoá... Nhưng hiện nay tổng sản lượng LPG thu được từ quá trình chế biến KĐH chiếm 62% khối lượng. Ngày nay, LPG được sử dụng trong sinh hoạt, công nghiệp hoá dầu, nhiên liệu đặc biệt, do nhu cầu ngày càng cao về việc bảo vệ môi trường nên LPG được đặc biệt quan tâm. [21] 2.2. Một số đặc tính hoá lý thương mại 2.2.1. Trạng thái tồn tại Ở điều kiện nhiệt độ và áp suất thường, LPG tồn tại ở trạng thái hơi. Do LPG có tỷ số giãn nở lớn: một đơn vị thể tích gas lỏng tạo ra 270 đơn vị thể tích gas hơi, vì vậy để thuận tiện và kinh tế trong tồn chứa, vận chuyển, LPG được hoá lỏng bằng cách nén vào các bình chứa chịu áp lực ở nhiệt độ thường hoặc làm sạch hoá lỏng để tồn chứa ở áp suất thường. Khi chuyển từ pha lỏng sang pha hơi, LPG thu nhiệt. Năng lượng cần thiết lấy từ bản thân LPG và từ môi trường xung quanh, vì vậy nhiệt độ LPG và bình chứa giảm xuống. Đặc biệt khi quá trình hoá hơi xảy ra dữ dội gây giảm áp đến áp suất khí quyển, LPG làm lạnh không khí, bình chứa gây nên hiện tượng tạo tuyết hoặc sương (khi này nhiệt độ đạt đến nhiệt độ điểm sương). Ngược lại khi hơi LPG ngưng tụ chuyển sang pha lỏng thì LPG toả nhiệt dẫn đến làm tăng nhiệt độ LPG và thiết bị công nghệ tồn chứa đẫn đến tăng áp suất của LPG. 2.2.2. Nhiệt độ sôi Ở áp suất khí quyển: propan sôi ở -420C và Butan sôi ở -0,50C. Chính vì vậy, ở nhiệt độ và áp suất thường LPG bay hơi dữ dội và nếu LPG tiếp xúc với da có thể gây ra bỏng lạnh nặng khi nhiệt độ giảm sút lớn. Bảng 5: Đặc tính của propan và butan thương phẩm. [4] TT Các đặc tính ĐV đo 11 Propan Butan 1 2 3 4 5 6 7 Nhiệt độ tới hạn Điểm sôi Tỷ trọng thể lỏng (d15/4) Tỷ trọng thể hơi (dKK = 1) Thể tích riêng thể hơi ở 00C và 760 mmHg Thể tích riêng thể hơi/lỏng ở 00C Áp suất hơi ở 00C; 500C 0 8 Ẩn nhiệt bay hơi ở 15 C Năng suất toả nhiệt thực tế (nét) 9 Năng suất toả nhiệt thực tế 9 (nét) Năng suất toả nhiệt chung (gross) 10 Năng suất toả nhiệt chung (gross) Không khí cần để đốt cháy 11 Không khí cần để đốt cháy 12 Khí CO2 trên lý thuyết 2.2.3. Tỷ trọng 0 C C m3/kg m3/kg 95 -45 0,51 1,52 0,51 274 47,5757 150 0 0,575 2,01 0,385 233 1,03  2,0 Kcal/kg Kcal/kg 1721,5 85,5 11000 5 6,25 89 10900 Kcal/Nm3 Kcal/kg 21000 11900 28400 11800 Kcal/Nm3 Kg/kg LPG 23400 15,6 30700 15,3 0 Kg/cm2 M3/m3 LPG 23,5 % SP đốt cháy 13,9 30,0 14,1 Tỷ trọng thể lỏng: ở điều kiện 150C, 760mmHg, tỷ trọng của propan bằng 0,51 và của butan bằng 0,575. Như vậy ở thể lỏng tỷ trọng của LPG xấp xỉ bằng một nửa tỷ trọng của nước. Tỷ trọng thể khí: ở điều kiện thường 15 0C, 760mmHg, tỷ trọng của propan hơi bằng 1,52 và của Butan hơi bằng 2,01. Như vậy ở thể hơi tỷ trọng của LPG gần gấp hai lần tỷ trọng không khí. [17] 2.2.4. 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% propan và 30% butan có áp suất hơi bão hoà 6kg/cm2, ở cùng điều kiện nhiệt độ 200C, khi thay đổi thành phần hổn hợp, áp suất hơi bão hoà cũng thay đổi. Áp suất hơi của gas phụ thuộc rất lớn vào môi trường xung quanh. Nhiệt độ môi trường càng cao, áp suất hơi trong bồn chứa càng lớn. Bảng 6: Áp suất hơi bão hoà của hỗn hợp Butan/Propan theo tỷ lệ %, theo nhiệt độ, kg/cm2 12 Propan (%) Butan (%) 0 C -10 0 10 20 30 40 50 60 2.2.5. Tính giãn nở 100 - 90 10 80 20 70 30 60 40 50 50 40 60 30 70 20 80 10 90 100 2,4 3,3 6,6 7,6 10,1 13,1 17,0 21,0 2,2 3,55 5,2 7,1 9,45 12,3 15,9 19,8 2,0 3,2 4,7 6,5 8,7 11,5 14,3 18,5 1,8 2,9 4,3 6,0 8,0 10,5 13,7 17,2 1,5 2,5 3,8 5,4 7,3 9,7 12,6 16,0 1,2 2,2 3,4 4,8 6,7 8,7 11,3 14,3 0,9 1,8 2,8 4,1 5,7 7,7 10 12,8 0,7 1,3 2,4 3,4 4,8 6,6 8,7 11,2 0,3 1,3 1,7 2,8 3,8 5,4 7,3 8,3 0,5 1,1 1,9 2,8 4,2 6,7 7,6 0,5 1,1 1,3 2,3 4,1 5,5 Tỷ lệ giãn nở của propan và butan (hai thành phần chính trong LPG) như sau: Bảng 7: Tỷ lệ giản nở của LPG Propan Butan 1 thể tích chất lỏng cao 270 thể tích hơi ở 1 at 1 thể tích chất lỏng cao 238 thể tích hơi ở 1 at 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 270 lần lớn hơn một đơn vị thể tích ở trạng thái lỏng. Do đó, trong mọi trường hợp không được để gas xì thoát ra ngoài khi khu vực xung quanh do có nguồn lửa hở, vì dễ bị bắt cháy. 2.2.6. Giới hạn cháy nổ Giới hạn cháy nổ của LPG trong hỗn hợp không khí - gas được trình bày trong bảng 8. Bảng 8: Giới hạn cháy của LPG trong hỗn hợp không khí - gas.[4] TT Nhiên liệu 1 2 3 4 5 6 Propan Butan Khí than Khí than ướt Hydro Axetylen Giới hạn cháy nổ dưới (%) thể tích 2,2 1,8 4,0 5,0 4,0 2,5 13 Giới hạn cháy nổ trên (% thể tích) 10,0 9,0 29,0 46,0 75,0 80,0 7 Xăng 2.2.7. Nhiệt trị 0,5 7,0 Chỉ tiêu đáng lưu ý nhất là thành phần hoá học của LPG mà chủ yếu là propan và butan. Hàm lượng 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 lượng khác được trình bày trong bảng 9. Bảng 9: Nhiệt trị của LPG của một số loại nhiên liệu, năng lượng [4] TT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Nhiên liệu, năng Nhiệt lượng có ích lượng (Kcal/kg) Propan 11000 Butan 10900 Axetylen 11530 Hydro 2880 Dầu Go 9880 Dầu Do 10250 Dầu hoả 10400 Xăng 10500 Than củi 7900 Than 4200 - 8100 Than cốc 5800 Củi 1800 - 400 Điện năng 860 Kcal/Kw.h Nhiệt lượng toàn phần (Kcal/kg) 11900 11800 11950 34000 10500 10900 11100 11300 8050 4400 - 8300 5850 2200 - 4700 Một cách tương đối có thể so sánh: nhiệt lượng do 1kg LPG cung cấp bằng 14 kw.h điện năng, bằng 1,5 lít dầu hoả... 2.2.8. 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 hổn hợp. Một số giá trị đặc trưng nhiệt độ tự bắt cháy của một số loại nhiên liệu tại áp suất khí quyển (trong không khí hoặc trong oxy) được trình bày ở bảng 10. 14 Bảng 10: Nhiệt độ tự bắt cháy của một số loại nhiên liệu tại áp suất khí quyển.[4] TT Nhiệt độ tự bắt cháy tối thiểu (0C) Trong không khí Trong oxy 400-580 470-575 410-550 280-550 305-500 295-440 550-590 560 250-340 >240 280-430 >240 >250 >240 370-500 >240 425-650 >240 630-750 Nhiên liệu 1 Propan 2 Butan 3 Axetylen 4 Hydro 5 Dầu Do 6 Xăng 7 Dầu hoả 8 Than 9 Than cốc 10 Metan 2.2.9. Trị số octan Trị số octan của LPG rất cao. Trị số octan của propan và butan theo tiêu chuẩn ASTM được trình bày trong bảng 11. Bảng 11: Trị số octan của propan và butan.[4] Trị số octan ASTM Thành phần LPG Phương pháp động cơ D.357 Propan 99,5 Butan 89,1 2.2.10. Thể tích phân tử gam Phương pháp nghiên cứu D-908 111,4 94,0 Ở điều kiện tiêu chuẩn (00C, 1atm): 1mol hơi propan có thể tích 21, 98 lít, 1mol butan có thể tính 21,58 lít. 2.2.11. 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 nước và xăng dầu không rò rỉ nên dễ làm hỏng dầu mở bôi trơn tại các vị trí làm kín không tốt.[4] 15 2.2.12. Tính độc LPG hoàn toàn không gây độc cho người, không gây ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, do hơi gas nặng hơn không khí, vì vậy nếu rò rì ra ngoài môi trường kín sẽ chiếm chỗ của không khí và có thể gây ngạt. LPG còn là nhiên liệu rất sạch: hàm lượng lưu huỳnh thấp (<0,02%), khi cháy chỉ tạo ra khí CO 2 và hơi nước, lượng khí độc SO2, H2S, CO của quá trình cháy là rất nhỏ, không gây ảnh hưởng tới môi trường. [10] 2.2.13. Màu sắc, mùi vị LPG ở thể lỏng và hơi đều không mùi, không màu. Vì lý do an toàn nên LPG được pha thêm chất tạo mùi để dễ phát hiện khi có sự rò rỉ. Các nhà sản xuất trộn vào gas những chất tạo mùi đặc trưng. 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 được trước khi hơi gas rò rỉ đạt nồng độ bằng 1/5 giới hạn nổ dưới khi trong không khí có độ 0,5% gas là ta đã có thể ngửi thấy mùi. [4] LPG thương mại thường được pha thêm chất tạo mùi Etyl mecaptan và khí này có mùi đặc trưng, hoà tan tốt trong LPG, không độc, không gây ăn mòn kim loại và tốc độ bay hơi gần với LPG nên nồng độ trong LPG không đổi khi bình chứa được sử dụng cho đến hết. 16 2.2.14. Yêu cầu kỹ thuật đối với khí đốt hoá lỏng Bảng 12:Yêu cầu kĩ thuật đối với khí hóa lỏng [4] Đặc tính Thành phần Phương pháp thử Propan thương mại ASTM Chủ yếu là C3H8 D-2163 và/ hoặc C3H6 Hỗn hợp Butan Butan và thương mại Propan thương mại Hỗn hợp chủ yếu Chủ yếu là gồm C4H10 và/ C4H10 và/ hoặc C4H8 với hoặc C4H8 C3H8 và /hoặc C3H6 Áp suất hơi ở 37,80C, Kpa, max Nhiệt độ bốc hơi 95% thể tích, 0C max Thành phần cặn sau khi bốc hơi 100ml. ml, max Hàm lượng lưu ASTM D-1267 hoặc ASTM D- 1430 1485 1430 2,2 2,2 0,05 0,05 0,05 185 140 140 2598 ASTM D-1837 -38,3 ASTM D-2158-89 ASTM huỳnh, mgk/kg max D-2784-89 2.3. Các ứng dụng quan trọng của LPG trong các lĩnh vực khác nhau Thành phần chủ yếu của LPG là propan và butan, được sản xuất bằng cách nén khí đồng hành hoặc khí từ các quá trình chế biến dầu mỏ ở các nhà máy lọc dầu. Việc ứng dụng LPG thương phẩm thường phân chia thành 4 loại chính: [4] Propan thương phẩm: làm nhiên liệu cho động cơ hoạt động ở những điều 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 trung bình. Propan chuyên dùng: là sản phẩm có chất lượng cao sử dụng trong các động cơ đốt trong, đòi hỏi nhiên liệu có khả năng chống kích nổ cao. 17 Hỗn hợp propan - butan: sử dụng làm nhiên liệu đòi hỏi sự bay hơi trung bình. Hỗn hợp propan - butan là thích hợp cho việc chế biến thành sản phẩm khí đốt gia dụng vì chúng có áp suất hơi bão hoà và nhiệt độ bay hơi thích hợp trong các điều kiện sinh hoạt cụ thể. LPG có nhiệt cháy cao mặc dù tỷ trọng butan lớn hơn tỷ trọng propan nhưng nhiệt trị tương tự nhau và nằm trong khoảng 1130  1200 Kcal/kg, tương đương nhiệt trị của 1,5  2kg than củi, 1,3 lít dầu mazut, 1,35 xăng. [17] Với những đặc tính như trên LPG trở thành sản phẩm có tính năng đa dạng rất cao và được chia theo các lĩnh vực khác nhau để sử dụng. a) Sử dụng làm nhiên liệu đốt trong sinh hoạt như: đun nấu, sưởi ấm. Đây là loại nhiên liệu tương đối sạch, rẻ tiền, tiện nghi, được dùng phổ biến trong gia đình ở các nước có nền công nghiệp chế biến khí phát triển và khí hậu lạnh. Với nước ta thì vấn đề mở rộng thị trường tiêu thụ LPG là hết sức cần thiết, góp phần rất lớn vào việc bảo vệ môi trường sinh thái, tránh chặt phá rừng. [18] b) Trong công nghiệp: các ngành công nghiệp sử dụng LPG làm nhiên liệu trong lò đốt, nung gốm, thuỷ tinh, sành sứ, hàn cắt kim loại, lò hơi nước trong công nghiệp dệt nhuộm, chế biến, sấy nông sản, thực phẩm... [23] c) Trong nông nghiệp: các cơ sở sản xuất nông nghiệp dùng LPG làm nhiên liệu trong sản xuất thức ăn gia súc, chế biến, sấy nông sản, thực phẩm. [23] d) Trong giao thông vận tải: là nhiên liệu hấp dẫn vì làm giảm đáng kể sự thoát khí của 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 độc hại trong sử dụng đối với con người, vừa kinh tế. [23] e) Trong công nghiệp hoá dầu: LPG được sử dụng trong tinh chế và công nghiệp hoá dầu. 18 f) Sử dụng cho nhà máy phát điện: dùng LPG chạy các tuocbin 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. 2.4. Cơ sở hóa lý của quá trình. Phương pháp chế biến khí bằng phương pháp chưng cất thực hiện quá trình tách các cấu tử định trước hiệu quả hơn so với các phương pháp hấp thụ nhiệt độ thấp, ngưng tụ nhiệt độ thấp, và thiết bị chế tạo cũng đơn giản hơn nên ta xét hóa lý của quá trình này. 2.4.1. Khái niệm về quá trình chưng cất. Chưng cất là quá trình dùng nhiệt để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng, cũng như hỗn hợp khí thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp ở cùng một nhiệt độ. Khi chưng  thu được nhiều sản phẩm và thường có bao nhiêu cấu tử ta sẽ được bấy nhiêu sản phẩm. Đối với trường hợp 2 cấu tử:  Sản phẩm đỉnh gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và ít cấu tử có độ bay hơi bé.  Sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé và ít cấu tử có độ bay hơi lớn. Thay vì đưa vào hỗn hợp 1 pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa 2 pha như trong quá trình hấp thụ hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ. Nguyên lý của quá trình chưng cất: Chưng cất là quá trình tách 1 dung dịch bằng cách đun sôi nó, rồi ngưng tụ hơi bay ra để được 2 phần: phần nhẹ là distillat có nhiệt độ sôi thấp, chứa nhiều chất dễ sôi, còn phần nặng là cặn chưng cất (reduce). Chưng cất có hồi lưu: Để nâng cao khả năng phân chia hỗn hợp lỏng, người ta tiến hành cho hồi lưu một phần sản phẩm đỉnh. Nhờ sự tiếp xúc thêm một lần giữa pha 19 lỏng (hồi lưu) và pha hơi trong tháp được làm giàu thêm cấu tử nhẹ nhờ đó mà độ phân chia cao hơn. Chưng luyện:  Là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau.  Chưng luyện ở áp suất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao.  Chưng luyện ở áp suất cao dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở áp suất thường. 2.4.2. Đặc điểm quá trình chưng luyện. Tháp chưng luyện gồm 2 đoạn: [33]  Đoạn luyện: Là phần trên, gồm từ đĩa tiếp liệu trở lên đỉnh.  Đoạn chưng: Là phần dưới, gồm từ đĩa tiếp liệu trở xuống dưới. Tháp chưng luyện gồm có nhiều đĩa  Trên mỗi đĩa xảy ra quá trình chuyển khối giữa pha lỏng và pha hơi. Pha hơi đi từ dưới lên qua các lỗ của đĩa, xuyên qua pha lỏng đi từ trên xuống theo các ống chảy truyền. Vì nhiệt độ trong tháp càng lên cao càng giảm nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên, các cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng tụ lại và cuối cùng ở trên đỉnh tháp, ta sẽ thu được hỗn hợp sản phầm gồm hầu hết là các cấu tử nhẹ (dễ bay hơi). Hơi này sẽ đi vào thiết bị ngưng tụ (condenser) (một phần hoặc hoàn toàn) ở đỉnh tháp để hồi lưu. Lỏng ngưng tụ được về lại tháp và lấy ra làm sản phẩm đỉnh. Ngược lại, pha lỏng đi từ trên xuống gặp hơi có nhiệt độ cao hơn, một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp sẽ bốc hơi  nồng độ của cấu tử nặng (khó bay hơi) trong pha lỏng 20