Đang tải... (xem toàn văn)
Sử dụng công nghệ PSA để chế tạo oxy nồng độ cao, có ý nghĩa quan trọng trong nhiều lĩnh vực cả quân sự lẫn dân sự. Bài viết là sản phẩm của tác giả, đã được bảo vệ, mọi việc nghiêm cấm, sao chép mà không được phép đều vi phạm pháp luật nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam
NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO THIẾT BỊ TẠO KHÍ OXY BẰNG CÔNG NGHỆ PSA Hà Văn Hảo, Lương Tuấn Anh, Hồ Kim Hậu Học viện kỹ thuật quân Tóm tắt: Trong báo này, giới thiệu kết nghiên cứu chế tạo thiết bị tạo khí oxy quy mô pilot công nghệ PSA Vật liệu hấp phụ sử dụng Zeolite 5A Nồng độ sản phẩm khí oxy đạt 64% Các thơng số công nghệ thu sở để thiết kế thiết bị quy mô công nghiệp sở cho trình phân tách hệ khí khác Mở đầu Theo báo cáo trường Đại học Princeton (Hoa Kỳ) lượng ôxy khí giảm 0,7%, tốc độ hợp lý theo tiêu chuẩn địa chất Tuy nhiên, 100 năm qua, lượng ơxy khí giảm tương đối nhanh chóng 0,1% việc đốt nhiên liệu hóa thạch, tiêu thụ khí ơxy tạo carbon dioxide Qua cho thấy nhu cầu cần đáp ứng oxy nói chung oxy nồng độ cao nói riêng tồn cầu Trong cơng nghiệp, oxy chủ yếu chế tạo kỹ thuật hóa lỏng khơng khí chưng cất phân đoạn Ngồi ra, oxy sản xuất phương pháp khác hấp thụ với dòng muối nóng chảy cơng nghệ điện trường…Tuy nhiên tựu chung lại phương pháp có phần cồng kềnh, tốn chí nguy hiểm Với nhu cầu sử dụng nhỏ vừa dùng tòa nhà; ứng dụng hầm lò, mỏ than hay sử dụng cho lực lượng công binh, người ta thường xử dụng máy tạo Nitơ theo công nghệ PSA PSA ( Pressure Swing Adsorption ) phát triển nghiên cứu Mỹ tác giả C W Skarstrom, ông cấp sáng chế năm 1960 Hiện PSA công nghệ điểm để tách tinh chế loại khí cơng nghiệp oxy, nitơ, H2, isoprafin, CH4 Trên giới có tới trăm ngàn đơn vị thiết kế cung cấp công nghệ này, thành cơng nghệ trọng điểm q trình tách làm khơ chất khí Các đơn vị cơng nghệ PSA có kích thước khác nhau, từ 300SCFD để sản suất Oxi nguyên chất cho bệnh viện, kích thước lớn 100MMSCFD dùng để sản suất 99,999% khí H2 từ SMR nhà máy lọc dầu [1] Khái niệm công nghệ PSA tương đối đơn giản, thành phần hỗn hợp khí hấp phụ chọn lọc vật liệu hấp phụ áp suất cao, từ để sản suất dòng khí có nồng độ cao với thành phần không bị hấp phụ Các thành phần bị hấp phụ giải hấp phụ cách giảm áp suất cột hấp phụ đưa vào cột hấp phụ dòng khí khơng bị hấp phụ Một q trình PSA hấp phụ áp suất cao, trình nhả hấp phụ áp suất thấp thường áp suất môi trường, áp suất nhả hấp phụ chân khơng có tên PVSA (Pressure Vacum Swimg Adsorption) [2] Mặc dù khái niệm đơn giản thực tế trình PSA phức tạp yếu tố công nghệ, cần thiết kế cột hấp phụ cho vật liệu hấp phụ làm việc trạng thái ổn định theo chu kỳ mà hàng loạt thơng số áp suất, nhiệt độ bước trạng thái không ổn định, bao gồm hấp phụ, nhả hấp phụ vô số bước bổ xung thiết kế để kiểm định chất lượng độ tinh khiết khí tối ưu hóa q trình tách [2, 3] Tuy nhiên Việt Nam chưa có đơn vị nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật Vì việc nghiên cứu, chế tạo thiết bị tạo Nitơ cơng nghệ PSA có ý nghĩa khoa học thực tiễn cao, sở cho trình phân tách khí khác Thực nghiệm 2.1 Xây dựng hệ thống thiết bị tạo khí O2 cơng nghệ PSA • Hệ thống thiết bị tạo khí O2 Trên sở lý thuyết công nghệ PSA vật liệu Zeolite, đưa sơ đồ khối, thời gian hoạt động bước chu kỳ làm việc thiết bị thực nghiệm sau: Hình 2.1 Sơ đồ khối thiết bị tạo khí O2 • Nguyên lý làm việc thiết bị tạo O2: - Bước 1: Van van đóng, van van mở Bơm chân khơng hút khơng khí bên cột hấp phụ để tạo áp suất chân khơng, qua giải hấp Nitơ - Bước 2: Van mở, van đóng Khơng khí sau tách ẩm, đưa vào cột hấp phụ áp suất cao Ở trình hấp phụ xảy với thành phần có lực khuyếch tan cao xảy (cụ thể N2 bị hấp phụ), sản phẩm O2 lấy qua van vào bình chứa sản phẩm Sự thay đổi áp suất chu kỳ theo bước mô tả biểu diễn đồ thị Hình 2.2: Hình 2.2: Sự thay đổi áp suất chu kỳ cột hấp phụ hệ thống PSA Từ hệ thống thí nghiệm quy mơ pilot thiết lập Phòng Cơng nghệ, Bộ mơn Cơng nghệ Hóa học, Khoa Hóa – Lý Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân Hệ thống gồm có: cột hấp phụ thép, có đường kính D = 6,8 mm chiều cao H = 600 mm Mỗi cột nhồi 0,6 kg chất hấp phụ Zeolite-5A Một máy nén khí có lưu lượng V = 120 l/phút với áp suất làm việc Pmax = 7,5 bar, lọc khơng khí < polyeste µm cột khử ẩm sử dụng 4,5 kg vật liệu hút ẩm Silicagel Cùng với máy đo nồng độ oxy Senko Sp2nd với dải đo từ - 30% dùng để đo nồng độ sản phẩm ban đầu Hình 2.3: Hệ thống thực nghiệm thiết bị tạo O2 công nghệ PSA 2.2 Phương pháp nghiên cứu Khi hệ thống vận hành, sản phẩm khí O2 lấy bước đo, xác định nồng độ theo phương pháp đo gián tiếp máy đo oxy Senko SP2nd Khi nồng độ oxy vượt 30%, đo máy tiến hành đo nồng độ dựa phương pháp pha trộn khí Theo khí sản phẩm pha trộn theo sơ đồ Hình 2.3: Hình 2.3: Sơ đồ đo nồng độ oxy sản phẩm dựa phương pháp pha khí • Cách xác định Oxi: - Bước 1: Khí Oxi lấy bước ( nguyên lý làm việc ) - cho vào bình chứa Oxi với áp suất định Bước 2: Song song có bình chứa khí Nito áp suất Bước 3: Dùng xilanh để lấy hai khí theo tỷ lệ định tiến - hành trộn khí xilanh Bước 4: Cho dòng khí xilanh qua máy đo Oxi để xác định %O2 thời điểm trộn khí - Cơng thức tính phần trăm Oxi tạo ra: %O2 = Trong đó: A: Tổng thể tích khí xilanh B: Thể tích khí lấy bình chứa Oxi Kết thảo luận 3.1 Sự phụ thuộc nồng độ vào thời gian hấp phụ Sản phẩm khí O2 lấy bước chu kỳ áp suất hấp phụ 4at, 5at, at thời gian hấp phụ thay đổi từ 30 – 120s Kết thể bảng 3.1; 3.2 3.3: Hình 3.4 Sự phụ thuộc nồng độ sản phẩm vào thời gian hấp phụ áp suất tối ưu (5at) Kết có nồng độ sản phẩm phụ thuộc vào thời gian làm việc hệ thống Và nhận thấy sản phẩm thu có nồng độ O2 lớn 64% (ứng với nồng độ N2 nhỏ 36% ) P = 5.0 atm thời gian 30s Hơn nữa, áp suất khác nhau, cho thấy thời gian hấp phụ 30s cho lượng sản phẩm lớn (64%) 3.2 Sự phụ thuộc nồng độ vào áp suất đầu vào cột hấp phụ Sản phẩm khí O2 lấy bước chu kỳ thời gian hấp phụ 30s 60s, áp suất hấp phụ thay đổi từ – at Kết thể bảng 3.5 3.6: Hình 3.7: Sự phụ thuộc nồng độ sản phẩm vào áp suất hấp phụ thời gian tối ưu (30s) Kết có nồng độ sản phẩm phụ thuộc vào áp suất làm việc hệ thống Và nhận thấy sản phẩm thu có nồng độ O2 lớn 64% (ứng với nồng độ N2 nhỏ 36% ) P = 5.0 atm thời gian 30s Hơn nữa, áp suất khác nhau, cho thấy áp suất hấp phụ 5at cho lượng sản phẩm lớn (64%) 4 Kết luận Qua nghiên cứu xây dựng thành công hệ thống thiết bị tạo khí O2 qui mơ pilot làm việc theo chu trình thay đổi áp suất sản phẩm khí O2 thu đạt đến 64% Trong thời gian tới để nâng cao nồng độ O2 sản phẩm đạt mức 90%, nhóm tác giả tiếp tục hoàn thiện thiết bị trang bị thêm thiết kiểm soát lưu lượng, áp suất thiết bị đo thay đổi thời gian chu kỳ Đồng thời cần tiến hành chạy thêm thí nghiệm khảo sát yếu tố ảnh hưởng tới nồng độ sản phẩm thay đôi thời gian thừng chu kỳ… đưa mơ hình tốn để đánh giá ảnh hưởng thông số điều kiện làm việc đến chế độ làm việc thiết bị, từ xác lập thơng số cơng nghệ tối ưu để chuyển sang thiết kế thiết bị qui mô công nghiệp Tài liệu tham khảo http://dantri.com.vn/khoa-hoc-cong-nghe/oxy-bien-mat-dan-khoi-khi-quyen-traidat-20161005145439747.htm [1] H Hui, The study of pressure swing adsorption, Phys Exp (2000) 16–18 (in Chinese) [2] Z Xuejun, G Tong, The mathematic simulation to medical oxygenenriched by pressure swing adsorption, Iatrical Device (1998) 616–618 (in Chinese) [3] Y Chunyu, The mathematic simulation to the pressurization and depressurization step during separating air by PSA, Pet Chem Eng (1998) 335– 340 (in Chinese) [4] F Jinzhe, The semi-experiential formulation of the relationship between the pressure and oxygen concentration in the rich oxygen device by using PSA method, Cryog Eng (1997) 12–17 (in Chinese) [5] C Guanj, W.N Ng, W.J Thomas, Dynamics of pressurization and depressurization during pressure swing adsorption, Chem Eng Sci 49 (1994) 2657 ... tách [2, 3] Tuy nhiên Việt Nam chưa có đơn vị nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật Vì việc nghiên cứu, chế tạo thiết bị tạo Nitơ cơng nghệ PSA có ý nghĩa khoa học thực tiễn cao, sở cho q trình phân tách... hệ thống thí nghiệm quy mơ pilot thiết lập Phòng Cơng nghệ, Bộ mơn Cơng nghệ Hóa học, Khoa Hóa – Lý Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân Hệ thống gồm có: cột hấp phụ thép, có đường kính D = 6,8 mm... sản phẩm ban đầu Hình 2.3: Hệ thống thực nghiệm thiết bị tạo O2 công nghệ PSA 2.2 Phương pháp nghiên cứu Khi hệ thống vận hành, sản phẩm khí O2 lấy bước đo, xác định nồng độ theo phương pháp đo