Nghiên cứu mô phỏng chế độ làm việc của thiết bị tạo n2 bằng nguyên lý hấp phụ

MỤC LỤC MỤC LỤC L I M N L I AM ĐOAN ANH MỤ H NH Đ TH ANH MỤ NG 10 HƯ NG 1: TỔNG QUAN VỀ NIT 12 1.1 Thành phần khơng khí 12 1.2 Các tính chất vật lý khơng khí đồ thị I – x 13 1.2.1 Độ ẩm tuyệt đối khơng khí 13 1.2.2 Độ ẩm tương đối khơng khí 13 1.2.3 Hàm ẩm khơng khí 14 1.2.4 Nhiệt lượng riêng khơng khí ẩm 14 1.2.5 Điểm sương 15 1.2.6 Nhiệt độ bầu ướt 15 1.2.7 Thể tích khơng khí ẩm 15 1.2.8 Khối lượng riêng hỗn hợp khơng khí ẩm 16 1.3 Các tính chất vật lý nitơ oxy 18 1.3.1 Khí oxy 18 1.3.2 Khí nitơ 21 1.4 Các kỹ thuật phân tách khí nitơ 24 1.4.1 Kỹ thuật chưng cất phân đoạn khơng khí lỏng 24 1.4.2 Sử dụng kỹ thuật hấp phụ 25 1.4.3 Các kỹ thuật khác 27 1.4.4 Ứng dụng nitơ đời sống 30 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ HẤP PHỤ 33 2.1 Hấp phụ ứng dụng hấp phụ 33 2.2 Cân hấp phụ 34 2.3 Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ hệ khí rắn 37 2.3.1 Phương trình đẳng nhiệt Langmuir 37 2.3.2 Phương trình đẳng nhiệt Henry 39 2.4 Chu trình vận hành cột hấp phụ đường cong thoát 40 2.4.1 Chu trình vận hành cột hấp phụ 40 2.4.2 Đường cong thoát cột hấp phụ 45 2.5 Các yếu tố ảnh hưởng tới thiết kế hệ thống hấp phụ 46 2.5.1 Vận tốc đường kính cột hấp phụ 46 2.5.2 nh hưởng thiết bị 47 2.5.3 nh hưởng khí cịn dư vật liệu hấp phụ 47 2.5.4 nh hưởng hệ thống nhiệt độ 47 2.5.5 nh hưởng kích thước hạt vật liệu hấp phụ 48 2.5.6 nh hưởng pha chất bị hấp phụ 48 2.5.7 Thiết kế hệ thống hấp phụ với vật liệu rây phân tử 48 2.6 Vật liệu hấp phụ rây phân tử cacbon 50 2.7 Các công nghệ nhả hấp phụ 51 2.7.1 Công nghệ TSA 52 2.7.2 Công nghệ DPA 55 2.7.3 Công nghệ PSA 56 2.8 Kết luận phần tổng quan 60 CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM 61 3.1 Sơ đồ khối thiết bị tạo nitơ theo công nghệ PSA 61 3.2 Tính tốn thiết kế cột hấp phụ 65 3.2.1 Lựa chọn vật liệu 65 3.2.2 Thiết kế khí 66 3.2.3 Tính tốn công nghệ 67 3.2.3 Lựa chon máy nén xử lý khí nén 70 3.2.4 Hệ thống van đường ống thiết bị phụ trợ 72 3.2.5 Hệ thống điều khiển thiết bị đo nồng độ nitơ 74 3.3 Tóm tắt cấu hình thiết bị 74 3.4 Kết thực nghiệm 76 CHƢƠNG 4: ỨNG DỤNG ASPEN ADSORPTION ĐỂ MÔ PHỎNG 77 4.1 Giới thiệu Aspen Adsorption 77 4.2 Các giả thiết 78 4.3 Mô trình làm việc thiết bị tạo nitơ Aspen Adsorption 79 4.4 Kết mô 86 KẾT LUẬN 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO 89 L I CẢM ƠN Trong thời gian thực đồ án em nhận nhiều giúp đỡ hỗ trợ thầy cơ, bạn bè gia đình Luận văn thực hồn thành Bộ mơn Máy thiết bị h a chất – ầu khí Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến TS Đình Tiến người trực tiếp hướng dẫn, bảo, khuyến khích giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi giúp em hoàn thành luận văn Đồng thời c ng xin chân thành cảm ơn TS Nghiêm uân Sơn – ộ mơn Q trình thiết bị – NHH giúp đỡ tạo điều kiện giúp đỡ phần điều khiển để em hoàn thành luận văn Em c ng xin chân thành cảm ơn thầy, cô Bộ môn Máy thiết bị H a chất – ầu khí c ng bạn sinh viên K55 K56 giúp đỡ, ủng hộ suốt thời gian làm luận văn Hà Nội, ngày 29 tháng năm 2015 Học viên Hà ăn Hảo L I CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu, mô chế độ làm việc thiết bị tạo nitơ nguyên lý hấp phụ” thân thực Các số liệu kết đề tài trung thực chưa công bố Nếu sai tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm Hà Nội ngày 20/9/2015 Tác giả luận văn DANH MỤC C C HIỆU VIẾT TẮT ITM (Ion Transport Membrane): Vận chuyển ion qua màng MTZ (Mass Transfer Zone): Vùng chuyển khối TSA (Thermal Swing Adsorption): Chu trình hấp phụ thay đổi nhiệt PSA (Pressure Swing Adsorption): Chu trình hấp phụ thay đổi áp suất DPA (Displacement Purge Adsorption): Chu trình thay chất bị hấp phụ CMS (Carbon Molecular Sieve): Rây phân tử Các - bon DANH MỤC C C H NH ĐỒ TH TT NỘI DUNG Hình 1.1 Đồ thị I-x khơng khí ẩm áp suất khí 760 mmHg TRANG 18 Hình 1.2 Quá trình làm lạnh sấy khơ khơng khí ẩm 19 Hình 1.3 Tháp chưng cất đơi sản xuất oxy nitơ 25 Hình 1.4 Sơ đồ ngun lý cơng nghệ hấp phụ sản xuất khí nitơ oxy 27 Hình 1.5 Sơ đồ công nghệ sản xuất nitơ phương pháp hấp thụ 29 Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý công nghệ vận chuyển ion qua màng sản xuất khí nitơ oxy Hình 2.1 ác giai đoạn trình hấp phụ phân tử lên bề mặt bên vật liệu xốp Hình 2 Hình 2.3 Sơ đồ chế hấp phụ Langmuir mặt phẳng nh hưởng yếu tố đến quan hệ đẳng nhiệt Langmuir 31 37 40 42 10 Hình 2.4 Đường đẳng nhiệt hấp phụ khí vật liệu CMS 43 11 Hình 2.5 Quá trình vận hành cột hấp phụ 45 12 Hình 2.6 13 Hình 2.7 Dạng đường cong phân bố nồng độ chất bị hấp phụ 48 14 Hình 2.8 Vật liệu rây phân tử cacbon 53 15 Hình 2.9 16 Hình 2.10 Cơng nghệ TSA chế hấp phụ oxy vật liệu CMS nh hưởng nhiệt độ lên cân hấp phụ 47 55 56 TT NỘI DUNG TRANG 17 Hình 2.11 Cơng nghệ DSA 58 18 Hình 2.12 Cơng nghệ PSA tách cấu tử 60 19 Hình 2.13 Chu trình làm việc bước cơng nghệ PSA 61 20 Hình 3.1 Sơ đồ cơng nghệ hệ thống 64 21 Hình 3.2 Lưới đỡ vật liệu đầu vào đầu cột hấp phụ 69 22 Hình 3.3 23 Hình 3.4 Máy đo Oxy Senko SP2nd Hình 3.5 Hệ thống thực nghiệm thiết bị tạo nitơ chu trình hấp 24 25 26 an điện từ TG2208 hãng STNC phụ thay đổi áp suất Hình 3.6 Kết thực nghiệm dịng nitơ c nồng độ 97 Hình 4.1 Sơ đồ dây chuyền cơng nghệ tạo khí nitơ PSA phần mềm aspen adsorption 74 77 78 79 83 27 Hình 4.2 Các thơng số kỹ thuật dịng vào F1 83 28 Hình 4.3 Bảng cài đặt chu kỳ làm việc 85 29 Hình 4.4 ài đặt thông số hoạt động van bước 86 30 Hình 4.5 ài đặt thơng số kỹ thuật cột hấp phụ 87 31 Hình 4.6 ài đặt thông số kỹ thuật bên cột 87 32 Hình 4.7 Q trình mơ hồn thành 88 34 Hình 4.8 Sự thay đổi áp suất cột theo thời gian 89 35 Hình 4.9 Biến thiên phần mol nitơ dịng khí sản phẩm 90 DANH MỤC C C ẢNG TT NỘI DUNG TRANG Bảng 1.1 Thành phần khơng khí theo thể tích 13 Bảng 1.2 Tính chất vật lý oxy 20 Bảng 1.3 Tính chất vật lý nitơ 22 Bảng 2.1 Ứng dụng cụ thể cho số vật liệu hấp phụ xốp điển hình Các yếu tố ảnh hưởng tới vùng chuyển khối MTZ 35 Bảng 2.2 Bảng 2.3 Bảng 2.4 Thông số vật lý MS 240 54 Bảng 3.1 Chu trình hoạt động bước van 65 Bảng 3.2 Chu trình hoạt động bước van 65 10 Bảng 3.3 Chu trình hoạt động bước van 66 11 Bảng 3.4 Chu trình hoạt động bước van 67 12 Bảng 3.5 Các thông số kỹ thuật van điện từ STNC cổng nh hưởng vận tốc đường kính tới cột hấp phụ vị trí 12 Bảng 3.6 Các thơng số thiết bị tạo nitơ 10 46 49 75 77 (mm) (mm) (kg) (Cái ) (Bộ ) (Cái) (m/s) cột 700 100 3,5 2,54 25,6 3.4 3,9 ết thực nghiệm Trên sở tính tốn thiết kế cài đặt điều khiển PL để chạy hệ thống thực nghiệm theo chế độ công nghệ Sau hệ thống chạy ổn định khoảng 10 chu kỳ, tiến hành phân tích mẫu máy đo nồng độ oxy SP2nd Senko Hình 3.6 : Kết thực nghiệm dòng nitơ c nồng độ 97 Kết cho thấy, phần mol khí sản phẩm thu suốt giai đoạn lấy sản phẩm hai cột khoảng từ 95 ~ 97 Trong thời gian tới, trang bị thiết bị kiểm soát lưu lượng ổn định áp suất đầu vào c ng thiết bị đo hàm lượng nitơ đầu hệ thống thiết bị thí nghiệm hồn tồn tối ưu chế độ cơng nghệ đưa sản phẩm khí nitơ đạt mức 99% 76 CHƢƠNG 4: ỨNG DỤNG ASPEN ADSORPTION ĐỂ MÔ PHỎNG 4.1 Giới thiệu Aspen Adsorption Mô - simulation phương pháp mơ hình h a dựa việc thiết lập mơ hình số sử dụng phương pháp số để tìm lời giải với trợ giúp máy vi tính Để mơ q trình thực tế địi hỏi: - Mơ hình ngun lí: ngun lí q trình mối liên hệ thơng số liên quan - Mơ tả tốn học: dùng cơng cụ tốn học để mơ tả mơ hình ngun lí - Xử lí biểu thức ràng buộc Tất nhiên trình thực tế tập hợp gồm nhiều yếu tố phức tạp mà khơng thể có mơ tả tốn học cho kết xác tuyệt đối Độ phức tạp trình tăng lên đồng nghĩa với số lượng thông số liên quan, biến số phương trình ràng buộc tăng lên Giải lúc bước địi hỏi khối lương tính tốn lớn mơ với trợ giúp máy vi tính tất yếu Trong ngành cơng nghệ hóa học nói chung cơng nghệ lọc hóa dầu nói riêng, mơ đ ng vai trị vơ c ng quan trọng việc thiết kế, phân tích, vận hành tối ưu hố hệ thống Aspen One gói phần mềm mơ q trình cơng nghệ hóa học hãng AspenTech Mỹ phát triển sử dụng rộng rãi nghiên cứu ứng dụng để tối ưu trình sản xuất cơng nghiệp Aspen sử dụng mơ hình tốn học để mơ q trình q trình Với nguồn sở liệu khổng lồ, Aspen xử lý trình phức tạp, bao gồm hệ thống phân tách nhiều cột, thiết bị phản 77 ứng chưng cất hợp chất phản ứng hóa học Aspen Adsorption modul gói phần mềm mơ Aspen One Modul Aspen Adsorption ứng dụng để thiết kế, mô tối ưu h a q trình hấp phụ để phân tách khí, chẳng hạn chu trình hấp phụ thay đổi áp suất (PSA), chu trình hấp phụ thay đổi nhiệt độ (TSA), chu trình hấp phụ thay đổi độ chân khơng (VSA) Aspen Adsorption có cơng cụ mạnh Cyclic Steady State (CSS) cho phép trình hấp phụ có chu kỳ trạng thái ổn định Mơ hình Aspen hấp phụ CSS cung cấp công cụ thiết kế hiệu dễ dàng sử dụng gói phần mềm tối ưu h a để xác định thiết kế điều hành điều kiện tối ưu cho q trình tính tốn thiết kế hệ thống hấp phụ Trong nghiên cứu này, Aspen Adsorption sử dụng để thiết lập mơ hình mô hệ thống thiết bị tạo nitơ chu trình thay đổi áp suất (PSA) 4.2 Các giả thiết Để mơ sử dụng mơ hình tốn có sẵn Aspen Adsorption, cần chấp nhận giả thiết sau: - Hệ xem đẳng nhiệt với áp suất tổng cột trì số bước lấy sản phẩm làm sạch; - Quan hệ hấp phụ cân tuân theo đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, với giá trị số hấp phụ cân nitơ oxy có sẵn sở liệu Aspen Adsorption - Biến thiên áp suất riêng phần theo chiều dọc cột (bỏ qua biến thiên theo phương hướng kính); - Hệ số cấp khối biểu diễn thơng qua quan hệ động lực tuyến tính (Linear driving force); 78 - Tổn thất áp suất dọc theo chiều dài cột bỏ qua - Vận tốc dịng khí lớp vật liệu hấp phụ xác định theo cân vật chất phương trình khí lý tưởng PV = nRT 4.3 Mơ q trình làm việc thiết bị tạo nitơ Aspen Adsorption Về bước thiết lập mơ hình Aspen Adsorption bao gồm: o Nhập thông số vật lý cấu tử hệ (trong trường hợp khơng khí, nitơ oxy) từ ngân hàng liệu Aspen Properties; o Trong phần “Gas ynamic” thư viện “Libraries” Aspen Adsorption, chọn biểu tượng đầu vào (gas feed), van loại (valves), cột hấp phụ (gas bed) đầu (gas product) đường nối (connections) để xây dựng sơ hệ thống thiết bị phù hợp với thiết bị thí nghiệm chế tạo Hình 4.1; o lick đúp chuột thành phần sơ đồ xây dựng để nhập thông số chọn thông số sẵn c sở liệu o Trong phần công cụ “Tool” chọn “ ycle Organizer” để thiết lập chu trình làm việc bước mô tả phần trên; o Tiến hành chạy mô công cụ “Run” Sau lần chạy, tiến hành điều chỉnh thời gian “ ycle Organizer” để tìm điều kiện làm việc phù hợp trích xuất kết để xử lý Excel Lựa chọn mơ hình PSA có sẵn Demonstration hay thiết lập hình theo bước ta c sơ đồ dây truyền công nghệ Hình 4.1 79 Hình 4.1 Sơ đồ dây chuyền cơng nghệ tạo khí nitơ PSA phần mềm aspen adsorption Tiến hành nhập thông số đầu vào F1 hình 4.2 với: Lưu lượng dịng vào: 1,86 e-5 kmol/s Nhiệt độ dòng vào: 298,15K 80 Áp suất dòng vào: 6,045 bar Nồng độ phần mol Nitơ: 0.79 Nồng độ phần mol Oxy: 0,21 Hình 4.2 Các thơng số kỹ thuật dịng vào F1 Tiếp đ cài đặt chu kỳ làm việc Cycle Organizer Hình 4.3 Bảng cài đặt chu kỳ làm việc ác bước chu kỳ làm việc gồm bước sau: o ước 1: Hấp phụ cột 1, nhả hấp phụ cột 81 Với thời gian kéo dài hấp phụ cột đồng thời nhả hấp phụ cột kéo dài phút, chọn Time driven = ước 2: Hạ áp cột tăng áp cột o Kéo dài áp suất cột nhỏ 1 bar áp suất cột lớn at, chọn Expression T1_1.p= ước 3: Nhả hấp phụ cột 1, hấp phụ cột o Ngược lại với bước 1, thời gian kéo dài nhả hấp phụ cột đồng thời hấp phụ cột kéo dài phút, chọn Time driven = ước 4: Tăng áp cột 1, hạ áp cột o Ngược lại với bước kéo dài áp suất cột lớn at áp suất cột nhỏ bar chọn Expression T1_1.p>=6 and T2_2.p