1. Consideraţii generale
Gazele lichefiate utilizate în industrie pot fi împărţite în două mari categorii: gaze lichefiate aflate la presiune atmosferică şi la temperaturi scăzute şi gaze lichefiate aflate la temperatura mediului ambiant, dar la presiuni mai mari decât presiunea atmosferică. Din această categorie fac parte gazele petroliere lichefiate. Depozitarea şi transportul acestora se face în recipiente închise, dimensionate corespunzător pentru a rezista presiunilor de îmbuteliere. Eficienţa transportului şi depozitării impune ca gradul de umplere utilizat să fie cât mai mare. Având de-a face cu recipiente sub presiune, ce conţin substanţe inflamabile, problemele generate de umplerea corectă şi siguranţa în exploatare sunt esenţiale.
Gradul de umplere se notează cu r şi reprezintă, pentru un recipient, volumul ocupat de lichid în raport cu întregul volum al recipientului. Având în vedere definiţia titlului x, rezultă că gradul de umplere este legat de titlu prin relaţia:
r = 1-x
O problemă importantă legată de exploatarea acestor recipiente o constituie comportarea lor la creşterea temperaturii. Acest fenomen poate apărea datorită expunerii la radiaţia solară pe timpul depozitării sau transportului, sau la expunerea accidentală la o sursă de căldură. În funcţie de gradul de umplere şi de natura substanţei din recipient este posibilă apariţia unui fenomen deosebit de periculos. Concomitent cu creşterea temperaturii creşte presiunea, deoarece fenomenul se produce la volum constant, existând posibilitatea lichefierii complete a întregii încărcături. Având în vedere compresibilitatea scăzută a fazei lichide, acest lucru conduce rapid la spargerea recipientului.
2. Analiza încălzirii izocore a sistemului lichid-vapori supraîncălziţi
Atât complexitatea fenomenului cât şi dorinţa de a obţine rezultate cât mai apropiate de realitate au impus utilizarea programului profesional RG1 pentru determinarea mărimilor de stare pentru gazele reale (volum specific, entalpie, entropie, fugacitate, titlu).
În industria petrochimică se defineşte gradul maxim de umplere pentru un recipient cu gaze lichefiate ca fiind:
unde:
reprezintă densitatea produsului la 50 °C.
În figura 1 sunt reprezentate, pentru propan, izocorele corespunzătoare gradelor de umplere: 97,5%, 95%, 92,5%, 90%, 87,5% şi 85%. Valorile volumelor specifice corespunzătoare au fost calculate la temperatura de 323 K (50 °C). Presiunea de saturaţie corespunzătoare acestei temperaturi este de 1,9454 MPa, iar izobara corespunzătoare este reprezentată în diagramă.
Se observă că, pentru acest gaz, majoritatea izocorelor analizate intersectează curba limită inferioară reprezentând lichid la saturaţie.
În figura 2 este reprezentată variaţia gradului de umplere în funcţie de creşterea temperaturii. Curbele ce reprezintă grade de umplere mai mari de 90% intersectează destul de repede curba r = 1 (100%), deci propanul se lichefiază complet. Se constată că acest lucru se produce pentru creşteri de temperatură relativ mici, cuprinse între 48 °C şi 66 °C.
Cea mai bună situaţie o reprezintă curba de 90%, pentru care gradul de umplere variază foarte puţin, dar acestă curbă intersectează curbele limită chiar în vecinătatea punctului critic, deci şi aceasta conduce la o lichefiere completă. Se poate constata că pentru grade de umplere mai mici de 90%, curbele corespunzătoare intersectează curba limită superioară, deci, practic, întreaga cantitate de lichid se vaporizează. Situaţia este mai favorabilă decât în cazul lichefierii complete, deoarece vaporii saturaţi au o compresibilitate mai mare în comparaţie cu faza lichidă, lucru care permite să nu se depăşească rezistenţa de rupere a recipientului.
În figura 4 sunt prezentate izocorele corespunzătoare pentru normal butan. Se constată că apare o situaţie diferită faţă de cazul precedent. Izocorele sunt mult mai evazate, astfel încât numai una din ele – aceea de 97,5% – conduce la lichefierea totală a butanului, celelalte intersectând curba limită superioară, ceea ce conduce la o vaporizare completă a butanului. În concordanţă cu definiţia gradului de umplere (volumul de lichid din volumul total), scăderea acestuia este datorată modificării echilibrului fazelor, cantitatea masică de substanţă ramânând constantă.
3. Concluzii
Problema siguranţei în exploatare a recipientelor cu gaze lichefiate aflate sub presiune este deosebit de importantă, astfel încât posibilitatea prevederii comportării acestora la creşterea temperaturii este utilă.
Complexitatea problemei a impus utilizarea unui program performant de calcul ce a permis modelarea comportării sistemului pentru diferite grade de umplere, pe o plajă largă de temperaturi. Rezultatele prezentate permit luarea unor decizii mai bune decât în cazul calculului factorului de umplere cu ajutorul unei formule [3], calcul bazat pe evaluarea a două stări de pe o curbă izocoră.
Comportarea diferitelor gaze lichefiate este foarte diferită. Acest fapt nu a permis elaborarea unei formule care să fie valabilă în toate cazurile, astfel încât fiecare situaţie trebuie tratată individual.
În cazul propanului gradul maxim de umplere poate fi 87,5%, iar în cazul normal butanului se poate aprecia că se poate utiliza un grad maxim de umplere, care să nu creeze probleme, de 92,5%.
Bibliografie:
Van Wylen, G.; Sonntag, R.; Borgnakke, C.: Fundamentals of Classical Thermodynamics, John Wiley & Sons Inc., New York, 1994.
Vidal, J.: Thermodynamique – Méthodes appliquées au raffinage et au génie chimique, Edition Techniq, Paris, 1973.
Stratula, C.; Oprea, F.: Consideraţii privind calculul gradului de umplere a recipientelor cu gaze lichefiate, Revista de chimie, nr. 5, 1997.
Neacşu, S.: Programul Z.
Neacşu, S.: Programul APAB.
Neacşu, S.: Programul MetanTS.
Neacşu, S.: Programul RG01.
