Cách chọn hệ thống cấp khí phòng thí nghiệm an toàn, hiệu quả, tiết kiệm chi phí.

Đa số các phòng thí nghiệm hoặc cơ sở nghiên cứu và khoa học, có rất nhiều thiết bị, dụng cụ hoặc quy trình yêu cầu khí để chạy thiết bị, để hiệu chỉnh thiết bị. Các bình khí được đặt trong khu vực phòng thí nghiệm có thể gây ra những mối nguy hiểm đáng kể và không gian chúng chiếm có thể được sử dụng tốt hơn cho các mục đích khác phù hợp hơn. Hệ thống phân phối khí được thiết kế phù hợp, có kích thước và vị trí có thể cải thiện sự an toàn trong phòng thí nghiệm. Ngoài ra, chúng ta nên chú ý đến các yêu cầu có về tinh khiết cao , tính tương thích, lưu lượng, vật liệu của hệ thống phân phối khí…là rất quan trọng đối với sự an toàn, hiệu suất và chi phí.

Trong bài viết này chúng tôi sẽ hướng dẫn các bạn:

Chọn hệ thống  cấp khí an toàn, hiệu quả, tiết kiệm chi phí.

Nguyên tắc thiết kế hệ thống cấp khí.

Chọn hệ thống  cấp khí an toàn, hiệu quả, tiết kiệm chi phí.

Có một số tiêu chuẩn áp dụng cho việc lưu trữ, sử dụng và lắp đặt hệ thống phân phối khí. Bài viết này tham khảo các phần của các tiêu chuẩn đó khi áp dụng cho các nguyên tắc chung của hệ thống lưu trữ và phân phối khí. Các tiêu chuẩn quan trọng nhất là:

National Fire Protection Association NFPA 55: Compressed Gases and Cryogenic Fluids Code

Compressed Gas Association CGA P-1: Safe Handling of Compressed Gases in Containers

OSHA Standards 29 CFR 1910.101: Compressed Gases General Requirements.

Các phòng thí nghiệm phải hiểu rõ các tiêu chuẩn này và phải tuyệt đối tuân thủ các yêu cầu tối thiếu đối với hệ thống khí.

Bước đầu tiên trong việc lắp đặt hiệu quả bất kỳ hệ thống cấp khí nào, cho dù đó là hệ thống mới hoặc mở rông thêm, là tiến hành kiểm tra hoặc khảo sát các loại khí cần thiết cho từng vị trí hoặc phòng thí nghiệm. Xác định loại khí nào được yêu cầu cho từng thiết bị, mức độ tinh khiết, áp suất phân phối cần và lưu lượng tối đa là rất cần thiết để xác định các thông số như kích thước của đường ống, khu vực lưu trữ, chế độ hoặc nguồn khí được cung cấp. Việc đánh giá quá cao các yêu cầu về áp suất hoặc lưu lượng có thể dẫn đến chi phí lắp đặt cao,giảm hiệu quả torng việc tiết kiệm khí, chi phí thuê cao hơn… Tuy nhiên, việc đánh giá thấp có thể gây ra thiếu hụt khí và ảnh hưởng tới hiệu suất cho các thiết bị.

Sử dụng form đơn giản như hình 1, cho từng phòng lab hoặc điểm đại diện cho phép xác định được tổng nhu cầu của từng loại khí cho từng khu vực. Tổng hợp tất cả khu vực chúng ta sẽ xác định được nhu cầu khí cần thiết, so sánh với các thông số nhà cung cấp đưa ra chúng ta sẽ xác định được quy mô của hệ thống cấp khí.

Một số khí tinh khiết chỉ có thể được cung cấp trong bình áp suất cao như Heli 99.999%  sử dụng cho sắc ký khí, những khí khác như Argon 99.999% sử dụng cho máy phân tích plasma lại có thể chứa trong bình áp suất cao hoặc ở dạng lỏng có thể tích gấp 18 lần ở thể khí. Trong trạng thái lý tưởng, tổng số bình khí trong phòng lab phải đáp ứng nhu cầu sử dụng trong ít nhất 1 tuần. Chúng ta cũng phải tính đến 1 số lượng bình tương đương dự trữ và thêm một số bình bổ sung làm dự phòng. Khi có được tổng số lương bình cần thiết chúng ta sẽ xác định được không gian và vị trí cho hệ thống phân phối và khu vực lưu trữ bình khí.

Chọn vị trí cho hệ thống lưu trữ và phân phối khí.

Có một số yêu cầu lưu trữ và phân tách rất cụ thể đối với các khu vực trong đó khí nén hoặc khí lạnh được lưu trữ  và/ hoặc kết nối với hệ thống phân phối khí. Chúng có thể thay đổi theo yêu cầu của từng quốc gia, nhưng tối thiểu phải đáp ứng các yêu cầu của tiêu chuẩn NFPA và tiêu chuẩn OSHA. Tối thiểu, bình gas phải được lưu trữ và bảo đảm ở vị trí thẳng đứng bằng cách sử dụng giá đỡ, dây chuyền hoặc dây đai trong khu vực đủ ánh sáng và thông gió cách xa các vật liệu dễ cháy và nguồn nhiệt hoặc đánh lửa. Các loại khí nên được phân tách bằng mức độ nguy hiểm như được nêu chi tiết trong Bảng NFPA 55 2-1.5. Không gian dùng để  chứa các bình đang sử dụng phải có các biển báo thông báo nguy hiểm thích hợp theo yêu cầu trong Chương 4 của NFPA 55.

Đối với các yêu cầu lưu trữ đối hydro, phải đáp ứng thêm một số yêu cầu vì tính chất  nguy hiểm của loại khí này. Những điều này hiện được liệt kê theo phiên bản hiện tại của NFPA 55 như trong Hình 2.

Các yếu tố trên cũng đã được liệt kê trong NFPA 50-A, “Standards for Gaseous Hydrogen Systems at Consumer Sites.” Mọi người có thể tham khảo thêm tài liệu này nếu muốn. Ngoài ra, các khu vực chứa Hydro, khu vực sử dụng Hydro phải được đặt cách xa các khí, lỏng dễ cháy ít nhất 20ft, các nguồn bắt lửa, thiết bị điện ít nhất 25 ft, ít nhất 50 ft đối với các vị trí nạp khí nén, cữa thông gió điều hòa. Một yêu cầu khác, dung tích bình chứa phải được giới hạn. Các khu vực để bồn chứa ít hơn 3000 ft3 phải được đặc biệt, xây dựng chắc chắn từ những vật liệu không cháy. Tường của khu vực này phải có chỉ số chống cháy tối thiểu 2h. Nói chung, hệ thống hydro nên được đặt trong nhà kín cách xa khu vực chứa ít nhất 25ft.

Đối với khu vực lưu trữ Oxygen có thể tích lớn hơn 20 000ft3, cần có một số yêu cầu riêng được liệt kê chi tiết trong NFPA 55. Nói chung, các bình oxygen dung tích lớn hơn 20 000 ft3, phải được đặt bên ngoài tòa nha.

Lựa chọn kích thước đường ống và lưu lượng.

Khi xác định kích thước đường ống  cho một ứng dụng bất kỳ, người ta sẽ xác định tổng lưu lượng tối đa tại tất cả các điểm trong cùng 1 thời gian. Sau đó sử dụng hệ số an toàn 20-50% tùy vào mức độ quan trọng của loại khí đó.

Một yếu tố khác khi xác định kích thước đường ống là khoảng cách từ bình chứa tới điểm sử dụng, Người ta sẽ so sách tổng dung tích trong đường ống và tổng lưu lượng tối đa, nếu tổng dung tích nhỏ hơn tổng lưu lượng, sẽ có sụt áp từ bình chứa đến điểm sử dụng. Yêu cầu độ sụt áp không quá 10%. Áp suất đường ống tối đa thường được tính bằng áp suất yêu cầu cao nhất của điểm sử dụng cộng với tối thiểu là 25% hoặc 25 psig tùy thuộc vào lưu lượng của điểm sử dụng khí. Nó cũng có thể cao hơn tùy thuộc vào quãng đường khí di chuyển.

Bảng 3 là công cụ hữu ích trong việc tính toán kích thước đường ống. biểu đồ trong hình cung cấp lưu lượng không khí tối đa cho các kích thước ống khách nhau với mức giảm áp suất 10% hoặc 5%. Biểu đồ đươc tham khảo trên trang www.concoa.com. Một vi du về cách sử dụng bảng này: không khí với ấp suất đầu vào 100 psig, di chuyển trong ống ½”, sẽ có lưu lượng tối đa 3240 ft3, độ sụt áp là 10%, chiều dài đường ống 100ft. Như vậy điểm sử dụng sẽ có áp suất tối đa 90 psig trong trường hợp điểm đó là duy nhất. Tuy nhiên, người ta thường thiết kế hệ thống phân phối khí có áp suất tại điểm sử dung tối thiểu 120-125 psig mặc dù thiết bị yêu cầu chỉ la 90 psig. Do đó, người ta thường tính toán lắp tính check valve để kiểm soát dòng chảy ngược. Đặc biệt đối với các khí dễ cháy, nổ, người ta phải tính đến áp suất phá hủy của check valve.

Lựa chọn hệ thống phân phối khí phù hợp

Gần như tất cả các loại khí trong phòng thí nghiệm, đảm bảo độ tinh khiết là một yếu tố rất quan trọng. Do đó, chọn vật liệu cho đường ống phải tương thích với loại khí được sử dụng. Người ta thường dùng ống Stainless steel 316, đồng thời các loại valve, seal cũng đươc khuyến cáo dùng vật liệu SS316.

Đối với hệ thống khí helium, độ rò rỉ tối đa cho phép 1x 10⁻8 cm3/s. Việc này không chỉ đảm bảo khí không rò rỉ đồng thời cũng kho cho các tạp chất xâm nhập ảnh hưởng tới độ tinh khiết.

Đối với đầu vào của bình chứa, phải có valve chống chạy ngược nhằm hạn chế không khí đi vào trong hệ thống khi thay bình hoặc bảo trì. Hình 4 là hệ thống điển hình.

Hệ thống khí phải có khả năng cung cấp lưu lượng tối đa cho các điểm sử dụng, lưu lượng này được tính toán trong lúc khảo sát, lên phương án xây dựng hệ thống khí.

Có rất nhiều vấn đề cần quan tâm trong hệ thống phân phối khí nhưng trong yếu nhất là khu vực lưu trữ khí, nhu cầu khí cần được sử dụng, lượng khí cấp cho từng điểm sử dụng… Người ta thường theo những nguyên tắc trên để lựa chọn và thiết kế hệ thống khí an toàn, hiệu quả.