Tại sao phải cân trọng lượng CO2 khi nạp khí

02/12/2022

Khi mua các loại khí công nghiệp, chúng ta thường theo dõi chỉ sổ trên mặt đồng hồ đo áp suất để biết lượng khí còn lại trong bình chứa. Tuy nhiên điều này không được áp dụng đối với bình chứa CO₂. Chúng ta thường thấy nhà cung cấp cân trọng lượng bình khí thay vì theo dõi chỉ số áp suất trong bình trước khi bán. Đã bao giờ bạn thắc mắc tại sao phải cân trọng lượng CO₂, còn các khí khác thì không? Tại sao khi không sử dụng nhưng kim đồng hồ đo áp suất ở bình chứa CO₂ lại thay đổi? Hãy cùng đi tìm hiểu vấn đề này qua bài viết dưới đây của khí công nghiệp Hỷ Vân.

1. Đặc điểm vỏ chai khí CO₂

Vỏ chai khí CO₂ được thiết kế để chỉ đổ đầy khoảng 2/3 so với dung tích của nó. Luôn có một khoảng không gian trống phía trên của chai khí. Khoảng không này rất quan trọng để đảm bảo an toàn, giúp cho chai khí không phát nổ khi nhiệt độ môi trường tăng cao.
Hầu hết các chai CO₂ đều được in trọng lượng trên vỏ chai. Đó là trọng lượng của vỏ chai rỗng, nếu bạn cân chai khí của mình và trừ đi trọng lượng ban đầu, bạn sẽ biết có bao nhiêu khí còn lại trong chai.
Vỏ chai CO₂ cũng được in chỉ số áp suất làm việc tối đa. Hãy đảm bảo chai khí của bạn không vượt quá chỉ số này bằng cách kiểm soát nhiệt độ môi trường. Ngoài ra còn một vài chỉ số khác cũng được in trên vỏ chai, nhưng trong khuôn khổ bài viết này, chúng ta tạm thời không nhắc tới.

Chai CO₂ sử dụng loại van QF-2A thay vì van QF-2C như các loại khí khác. Đây là loại van chịu áp suất cao, có chức năng tự xả khi áp suất trong chai vượt mức cho phép.
Có một điều đặc biệt rằng, đồng hồ chỉ áp suất trên chai CO₂ thay đổi khi nhiệt độ môi trường thay đổi, nó không phụ thuộc vào lượng CO₂ còn lại trong chai. Miễn là trong chai vẫn còn CO₂ thì đồng hồ áp suất sẽ vẫn chỉ cùng một chỉ số trong cùng một điều kiện nhiệt độ. Đến khi lượng CO₂ trong chai đã hết, chai khí trở nên rỗng hoàn toàn, kim đồng hồ mới chỉ về vạch số 0.

• • Xem thêm: Khí CO2 là gì và những ứng dụng trong cuộc sống

2. Áp suất hơi của CO₂ không phụ thuộc vào lượng CO₂ có trong chai

CO₂ khi được nạp vào chai tồn tại ở dạng lỏng, nó là một chất lỏng không phân cực dễ bay hơi.
Áp suất bên trong của những chai chứa chất lỏng không phân cực dễ bay hơi như CO₂ chỉ được xác định bởi ÁP SUẤT HƠI đặc trưng của chất đó, chứ không phải bởi lượng chất lỏng có trong chai.
Áp suất hơi được định nghĩa là áp suất của phần khí của chất lỏng ở trạng thái cân bằng với trạng thái lỏng của nó. Chất rắn cũng có áp suất hơi, mặc dù nghe có vẻ vô lý. Đá khô là một ví dụ điển hình, nó là CO₂ ở thể rắn và chuyển thành dạng khí rất nhanh do nó có áp suất hơi cao tại nhiệt độ phòng.

Nếu chai CO₂ được sử dụng trong điều kiện nhiệt độ không đổi, áp suất hơi của nó cũng sẽ không đổi. Khi sử dụng, CO₂ được từ từ rút ra khỏi chai, CO₂ lỏng trong chai sẽ “sôi” lên thành dạng khí ở áp suất hơi của CO₂ tại nhiệt độ đó. Quá trình bay hơi này sẽ diễn ra liên tục cho đến khi hết CO₂ lỏng trong chai. Vì vậy áp suất của chai CO₂ sẽ không đổi cho tới khi nó gần như cạn kiệt, nghĩa là không còn CO₂ lỏng trong chai. Sau đó áp suất sẽ giảm xuống nhanh chóng khi lượng khí còn lại được sử dụng hết.

Nếu CO₂ được sử dụng quá nhiều và nhanh cũng sẽ làm giảm áp suất của chai khí. Nguyên nhân do khí CO₂ được giải phóng nhanh chóng sẽ hấp thụ nhiệt lượng từ môi trường xung quanh làm giảm đáng kể nhiệt độ của chai chứa. Đây cũng là lý do tại sao chai CO₂ đôi khi rất lạnh khi chạm vào nếu bạn dùng quá nhanh và quá lâu. Nhưng khi ngừng sử dụng và chai CO₂ trở lại nhiệt độ ban đầu, áp suất sẽ trở về chỉ số ban đầu.

3. Nhiệt độ tác động tới áp suất trong chai CO₂ như thế nào

Chai khí CO₂ được cho là đầy khi trọng lượng CO₂ nạp vào tương đương với 68% trọng lượng của tổng dung tích nước có thể chứa trong chai. Nghĩa là với mỗi chai dung tích 10 lít sẽ được nạp vào tối đa 6,8kg CO₂. Để thấy được sự tác động của nhiệt độ tới áp suất trong chai CO₂, chúng ta hãy theo dõi một ví dụ thực tế về mối quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ của một chai CO₂ dung tích 10 lít chứa đầy CO₂ lỏng theo trọng lượng.

• • Tại thời điểm nạp CO₂ lỏng vào chai, nhiệt độ của CO₂ lỏng rất lạnh và áp suất khoảng 100 psi (1 bar = 14.5 psi).
  • Khi chai CO₂ được nạp đầy chứa 6,8kg CO₂ lỏng, nóng lên đến nhiệt độ phòng khoảng 21 °C (≅ 70 °F), áp suất bên trong chai khí tăng lên 837 psi.
  • Khi đạt đến 31 °C (87,9 °F) toàn bộ CO₂ lỏng sẽ trở thành khí bất kể áp suất là bao nhiêu. Lúc này áp suất bên trong chai khí xấp xỉ 1100 psi.
  • Tại 49 °C (120 °F) áp suất bên trong chai khí đạt gần 2000 psi. Lúc này áp suất bên trong chai khí đã lớn hơn áp suất sử dụng được in trên vỏ chai.
  • Tại 68 °C (155 °F) chai khí đó sẽ đạt áp suất 3000 psi, đây là áp suất đủ lớn sẽ kích hoạt van an toàn xả bớt khí CO₂ ra ngoài.

Ta có thể thấy áp suất chai khí CO₂ chỉ là kết quả của một hàm biến thiên nhiệt độ. Khi nhiệt độ của chai khí được nạp đầy tăng lên, áp suất sẽ tăng lên. Tại mốc nhiệt độ 68 °C van an toàn sẽ kích hoạt và xả bớt khí CO₂ ra ngoài. Đây không phải là mức nhiệt độ quá cao, nhiệt độ này có thể dễ dàng đạt được trong nhiều môi trường khác nhau. Ví dụ trong nhà kho có mái tôn, hoặc trên thùng xe vào những ngày nắng nóng, hoặc bên trong bếp của các nhà hàng .v.v.
Việc van an toàn của chai khí xả bất ngờ có thể gây giật mình cho người sử dụng. Nó có thể dẫn đến một vài tai nạn, hư hỏng tài sản hoặc thương tích cá nhân. Tiếp xúc trực tiếp với lỗ thoát khí CO₂ của chai khí có thể gây tê cóng, bỏng lạnh.
Vì vậy khi sử dụng, vận chuyển và bảo quản chai khí CO₂, hãy luôn lưu ý đến nhiệt độ mà chai khí sẽ tiếp xúc. Đây không chỉ là nhiệt độ tại thời điểm sử dụng mà còn là nhiệt độ tối đa mà chai khí sẽ tiếp xúc trong suốt quá trình bảo quản, lưu trữ. Khí công nghiệp Hỷ Vân khuyến nghị khách hàng không nên sử dụng chai CO₂ ở nhiệt độ vượt quá 49 °C.

4. Tại sao nhiệt độ làm thay đổi áp suất hơi của CO₂

Có 4 yếu tố cơ bản tác động đến áp suất hơi:

1. 1. Bản chất “phân cực” hay “không phân cực” của các phân tử chất.
   2. Diện tích bề mặt của chất lỏng tiếp xúc với khí trong chai (phụ thuộc vào là đường kính chai)
   3. Nồng độ của các phân tử hơi bên trên chất lỏng
   4. Và cuối cùng là NHIỆT ĐỘ.

Trong trường hợp CO₂ được chứa trong một chai khí kín và ở trạng thái cân bằng, mọi yếu tố đều cố định. Vì vậy NHIỆT ĐỘ là yếu tố kiểm soát áp suất hơi CO₂ do đó nhiệt độ cũng chính là yếu tố kiểm soát áp suất bên trong chai CO₂. Để hiểu được tại sao nhiệt độ có thể tác động lên áp suất hơi của CO₂, trước tiên chúng ta cần hiểu rõ về bản chất “phân cực” hay “không phân cực” của một chất.

• • Đối với các chất “phân cực” có các phân tử lưỡng cực, nghĩa là chúng có các đầu dương và âm. Vì vậy các chất lỏng phân cực có lực liên kết phân tử mạnh hơn và chúng được giữ ở trạng thái lỏng dễ dàng hơn. Các chất phân cực có xu hướng có áp suất hơi thấp hơn ở một nhiệt độ nhất định.
  • Ngược lại, các chất lỏng “không phân cực” có lực liên kết phân tử yếu hơn khiến nó khó giữ trạng thái lỏng và hóa hơi nhanh chóng. Tốc độ bay hơi của các phân tử không phân cực thường lớn hơn nhiều so với các phân tử phân cực.

Phân tử CO₂ gồm một nguyên tử carbon liên kết với 2 nguyên tử oxy bằng liên kết đôi. Mặc dù carbon và oxy khác nhau về độ âm điện nên liên kết C=O là phân cực, nhưng phân tử CO₂ lại có cấu trúc đối xứng khiến cho cực của cả hai liên kết C=O đối diện sẽ bị triệt tiêu lẫn nhau. Vì vậy CO₂ là phân tử không phân cực. Điều này khiến cho CO₂ có áp suất hơi tương đối cao.

Bất kỳ sự gia tăng nào về nhiệt độ đều làm tăng động năng trung bình có trong các phân tử của CO₂ lỏng. Các phân tử trên bề mặt chất lỏng càng hấp thụ nhiều năng lượng (nhiệt) chúng càng có khả năng thắng các lực liên kết phân tử tác dụng lên chúng càng nhanh và chúng càng sớm trở thành hơi.

Áp suất hơi của chất lỏng chính là kết quả của một hàm biến thiên Logarit của nhiệt độ được xác định bưởi phương trình Clausius-Clapeyron

\(ln\frac{P2}{P1}=\frac{ΔH_{vap}}{R}(\frac{1}{T1}-\frac{1}{T2})\)

Trong đó:

• • \(ΔH_{vap}\) là Entanpy bay hơi của chất lỏng, giá trị này cố định với mỗi chất lỏng
  • \(R\) là hằng số khí lý tưởng và bằng 8,314 \(\frac{J}{K.mol}\)
  • \(P1\) và \(P2\) là áp suất hơi tại \(T1\) và \(T2\) (đơn vị atm)
  • \(T1\) là nhiệt độ ban đầu (đơn vị Kelvin)
  • \(T2\) là nhiệt độ tại đó cần tính áp suất hơi

5. Tại sao không được nạp đầy 100% chai khí CO₂

Như đã trình bày phía trên, một chai khí CO₂ được cho là đã đầy khi trọng lượng CO₂ nạp vào tương đương với 68% trọng lượng của tổng dung tích nước có thể chứa trong chai. Nghĩa là với mỗi chai 10 lít chỉ nên nạp vào 6,8 kg CO₂. Vậy tại sao lại là 68% thay vì 100%, phải chăng 32% còn lại đã bị lãng phí. Trên thực tế các nhà cung cấp đã tính toán một cách kỹ lưỡng để đưa ra con số 68%, đó là một hệ số an toàn vừa đủ đối với áp suất hơi của CO₂. Khoảng không gian tương ứng với 32% còn lại là không gian tối thiểu để chứa phần CO₂ đã chuyển sang thể khí khi nhiệt độ tăng lên. Cần nhớ rằng toàn bộ lượng CO₂ lỏng sẽ hóa hơi tại nhiệt độ 31 °C, chai khí cần một không gian đủ lớn để áp suất bên trong chai khí không vượt ngưỡng nguy hiểm.

• • Một chai khí 10 lít nếu được nạp CO₂ ở mức 85% sẽ đạt mức áp suất 1430 psi tại nhiệt độ phòng và van an toàn sẽ xả tại nhiệt độ 39 °C
  • Cũng với chai khí 10 lít nếu được nạp CO₂ ở mức 95% van an toàn sẽ xả tại ngay nhiệt độ phòng. Nếu van an toàn không hoạt động, chai khí có thể phát nổ ở khoảng 31 °C

Vì vậy việc nạp CO₂ đầy quá mức quy định rất nguy hiểm. Dù vô tình hay cố ý, việc chiết rót quá mức cùng với tác động của việc tăng nhiệt độ sẽ làm tăng đáng kể khả năng xảy ra tai nạn đối với tài sản hoặc con người. Đừng mạo hiểm đổ đầy CO₂ vào chai.

6. Cách sử dụng chai khí CO₂ an toàn

Để sử dụng chai khí CO₂ an toàn cần phải hiểu các đặc tính vật lý và hóa học cơ bản của loại khí này và thực hiện các biện pháp phòng ngừa phù hợp.
Như chúng ta đã biết carbon dioxide không bắt lửa, nó ổn định về mặt hóa học và trơ trong điều kiện khí quyển. Nó không tham gia phản ứng cháy. Nhưng CO₂ cũng không màu, không mùi và không vị, do đó nó không thể bị phát hiện bằng các giác quan của con người. CO₂ nặng gấp khoảng 1,5 lần so với không khí ở áp suất khí quyển. CO₂ trong chai khí tồn tại ở dạng lỏng và áp suất bên trong chai CO₂ chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. Ở áp suất khí quyển, CO₂ ở thể khí. Ở nhiệt độ từ -56,6°C đến +31,1°C, CO₂ có thể tồn tại ở dạng lỏng. Ở nhiệt độ dưới -56,6°C nó có thể tồn tại ở trạng thái rắn.

Với các đặc tính cơ bản kể trên, để sử dụng chai khí CO₂ chúng ta cần tuân thủ các quy tắc sau:

• • Trước tiên, cần kiểm soát trọng lượng của chai khí CO₂ Nếu chai CO₂ có trọng lượng nặng hơn mức quy định (6,8kg/10lít) thì áp suất bên trong chai có thể tăng nhanh khi nhiệt độ tăng nhẹ.
  • Khi vận chuyển nên để chai khí nằm ngang, van chai quay về 1 phía, phía dưới và giữa các chai có đệm lót, phía trên có mái che, cách xa các nguồn nhiệt và cố định tránh va đập.
  • Khi bảo quản cần chọn nơi thông thoáng, tránh ánh nắng trực tiếp để ngăn nhiệt độ tăng và tránh xa các môi trường ăn mòn chai khí.
  • Khi mở van hãy đặt chai thẳng đứng với van hướng lên trên, không tiếp xúc trực tiếp với khí CO₂.
  • Sử dụng CO₂ trong hàn cắt kim loại cần gắn thêm bộ phận sấy nhiệt ở van để tránh tình trạng đóng băng van bịt kín đường cấp khí.
  • Trong quá trình sử dụng cần đảm bảo hệ thống kín khí, không rò rỉ. Rò rỉ CO₂ trong những không gian hẹp có thể gây ngạt thở và tử vong.

7. Địa chỉ cung cấp CO₂ công nghiệp

Bạn đang băn khoăn không biết mua CO₂ ở đâu chất lượng và giá tốt? Hãy lựa chọn ngay công ty khí công nghiệp Hỷ Vân. Với kinh nghiệm 30 năm trong ngành, chúng tôi cam kết mang đến cho khách hàng những sản phẩm tốt nhất với giá cả cạnh tranh nhất thị trường, đảm bảo sự hài lòng tuyệt đối cho mọi khách hàng.

Công ty khí công nghiệp Hỷ Vân chuyên cung cấp khí CO₂ công nghiệp uy tín hàng đầu, chúng tôi chuyên sản xuất, chiết nạp, bán lẻ khí CO₂ tinh khiết, khí CO₂ công nghiệp chất lượng cao.
Quý khách hàng có nhu cầu đặt hàng có thể liên hệ số điện thoại 0969.690.155 để được tư vấn trực tiếp, miễn phí!

Tin tức tiêu biểu

Vì Sao Khí Oxy Lại Kỵ Cao Su? Hiểu Đúng Để Sử Dụng An Toàn

Vì Sao Khí Oxy Kỵ Dầu, Mỡ?

Tại sao khí Argon được dùng để hàn?

Khí Argon được sử dụng trong các thiết bị quang học

Nấu ăn bằng Nitơ lỏng có an toàn không?

Tầm quan trọng của van điều áp khí nén