Nghiên cứu mô phỏng và tối ưu hóa thiết bị tạo khí nitơ sử dụng chu trình hấp phụ thay đổi áp suất TT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ QN SỰ PHẠM VĂN CHÍNH NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG VÀ TỐI ƯU HĨA THIẾT BỊ TẠO KHÍ NI TƠ SỬ DỤNG CHU TRÌNH HẤP PHỤ THAY ĐỔI ÁP SUẤT Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học Mã số: 52 03 01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2021 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ QUÂN SỰ-BỘ QUỐC PHÒNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Vũ Đình Tiến TS Lê Quang Tuấn Phản biện 1: GS.TS Lê Quốc Hùng Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Phản biện 2: PGS.TS Trần Văn Chung Viện Khoa học Công nghệ quân Phản biện 3: TS Nguyễn Vân Anh Đại học Bách khoa Hà nội Luận án bảo vệ Hội đồng đánh giá luận án cấp Viện họp tại: Viện Khoa học Công nghệ quân Vào hồi: … … phút, ngày … tháng … năm 2021 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học Công nghệ quân - Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài luận án: ngày nay, nghiên cứu mơ tối ưu hóa q trình công nghệ, thiết bị trở thành xu tất yếu giới, phương pháp nghiên cứu sử dụng hiệu để triển khai q trình thiết bị cơng nghệ hóa học quy mô công nghiệp Trước kia, kỹ thuật hấp phụ kỹ thuật biết đến kỹ thuật xử lý môi trường để thu hồi dung mơi có giá trị Ngày nay, hấp phụ trở thành kỹ thuật mới, trọng điểm phân tách chất, kỹ thuật dựa vào đặc tính hấp phụ chọn lọc theo kích thước phân tử vật liệu hấp phụ sàng phân tử chu trình hấp phụ để tách cấu tử khỏi hỗn hợp Trong đó, thiết bị tạo khí N2 sử dụng chu trình hấp phụ thay đổi áp suất (PSA) thiết bị phân tách điển hình sử dụng vật liệu hấp phụ sàng phân tử cacbon để phân tách N2 từ khơng khí Trên thực tế cơng nghiệp sản xuất bảo quản vũ khí, thuốc nổ lương thực, thực phẩm có nhu cầu sử dụng máy tạo khí N2 có quy mơ suất vừa nhỏ mà không cần phải mua N2 dạng lỏng áp suất cao Hiện tại, máy phải nhập từ nước với giá thành cao Nghiên cứu mơ tối ưu hóa thiết bị cần thiết để khám phá quy luật làm việc chuyển quy mô công nghiệp để chủ động chế tạo thiết bị nước Trên giới, có nhiều kết nghiên cứu cơng bố liên quan đến luận án khía cạnh khác Đã có số mơ hình tốn mô tả hoạt động thiết bị công bố như: mơ hình tốn theo nồng độ, khối lượng riêng, nhiệt độ nghiên cứu số yếu tố ảnh hưởng nhiệt độ đến suất độ tinh khiết sản phẩm Nhưng chưa tập trung nghiên cứu vào mơ phỏng, tối ưu hóa thiết bị chuyển quy mơ cơng nghiệp cách hồn chỉnh Mục tiêu luận án: Nghiên cứu quy luật hấp phụ nhả hấp phụ O2 bề mặt vật liệu hấp phụ sàng phân tử cacbon cột thiết bị tạo khí N2 sử dụng chu trình hấp phụ thay đổi áp suất mơ hình tốn mơ phần mềm Trên sở mô xác định tham số cơng nghệ tối ưu thiết bị để đạt suất sản phẩm cao (Fp,max) với độ tinh khiết đảm bảo theo yêu cầu sử dụng ổn định (hàm lượng N2 đạt ≥ 99,5 % N2 trì ổn định) Đồng thời nghiên cứu quy luật thay đổi tham số công nghệ áp suất, lưu lượng, nồng độ yếu tố ảnh hưởng đến suất độ tinh khiết sản phẩm nghiên cứu chuyển quy mơ cơng nghiệp tính tốn mô Nội dung nghiên cứu: nghiên cứu tính chất đặc trưng vật liệu hấp phụ sàng phân tử cacbon; nghiên cứu, tính tốn thiết kế, xây dựng hệ thống thực nghiệm thiết bị tạo khí N2 điều khiển được; nghiên cứu tính tốn, đo đạc phân tích trở lực lớp hạt trình hấp phụ nhả hấp phụ; thiết lập mơ hình tốn học mơ tả q trình làm việc cột hấp thụ theo áp suất riêng phần O2; xác định tốc độ, hệ số khuếch tán tham số mơ hình; nghiên cứu mơ tối ưu hóa thiết bị tạo khí N2 sử dụng chu trình hấp phụ thay đổi áp suất phần mềm Matlab, Presto Aspen Adsorption; nghiên cứu khảo sát thực nghiệm yếu tố ảnh hưởng tối ưu hóa cột; nghiên cứu chuyển quy mơ cơng nghiệp cho số ứng dụng tính tốn mơ phỏng; xây dựng hồn chỉnh phương pháp nghiên cứu mơ tối ưu hóa cho thiết bị phân tách khí sử dụng chu trình hấp phụ thay đổi áp suất (PSA) Ý nghĩa khoa học thực tiễn: kết luận án có ý nghĩa khoa học thực tiễn mở hướng nghiên cứu mơ tối ưu hóa thiết bị phân tách sử dụng kỹ thuật hấp phụ Việt Nam Kết đạt luận án đóng góp thiết thực cho phát triển ngành kỹ thuật hóa học nói chung, chuyên ngành q trình thiết bị cơng nghệ hóa học nói riêng để chủ động triển khai q trình cơng nghệ hóa học từ phịng thí nghiệm quy mơ công nghiệp cách khoa học hiệu Kết luận án có ý nghĩa thực tiễn cao giải số tốn đặt ra, để chủ động sản xuất khí N2 sản xuất, bảo quản loại vũ khí, thuốc nổ thực phẩm, lúa gạo cách chủ động đảm bảo an tồn cho nơi khơng có điều kiện thuận lợi sử dụng N2 hóa lỏng vùng cao, vùng xa, biên giới hải đảo Bố cục luận án: - Mở đầu: tính cấp thiết, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án - Chương I: Tổng quan, trình bày vấn đề liên quan đến luận án - Chương II: Đối tượng phương pháp nghiên cứu, trình bày vấn đề vật tư trang thiết bị nghiên cứu - Chương III: Kết thảo luận, trình bày tồn kết theo nội dung nghiên cứu - Kết luận, trình bày tính kết đạt luận án - Danh mục cơng trình khoa học công bố: 10 (01 đạt chuẩn ISI, 01 hội thảo quốc tế CASEAN-6 08 tạp chí nước); Tài liệu tham khảo: 114 tài liệu (33 tài liệu tiếng Việt 81 tài liệu tiếng Anh) NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN Chương TỔNG QUAN Tổng quan khơng khí kỹ thuật phân tách khơng khí; kỹ thuật phân tách chất sử dụng loại vật liệu hấp phụ sàng phân tử chu trình hấp phụ (PSA, TSA, VSA); chu trình hấp phụ thay đổi áp suất (PSA); vật liệu hấp phụ sàng phân tử sàng phân tử cacbon; sở lý thuyết hấp phụ theo thuyết va chạm, chế khuếch tán q trình truyền khối; mơ hình tốn trở lực lớp hạt qua cột hấp phụ; vấn đề mơ tối ưu hóa; mục tiêu nghiên cứu mơ tối ưu hóa thiết bị tạo khí N2 sử dụng chu trình hấp phụ thay đổi áp suất; tình hình nghiên cứu nước giới định hướng nghiên cứu; mục tiêu nội dung luận án Chương ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu: quy luật hấp phụ nhả hấp phụ khí O2 bề mặt vật liệu hấp phụ sàng phân tử carbon (CMS) cột hấp phụ thiết bị tạo khí N2 sử dụng chu trình hấp phụ thay đổi áp suất; Phạm vi nghiên cứu: nhiệt độ môi trường, áp suất từ đến bar độ tinh khiết sản phẩm khí N2 ≥ 99,5 % ổn định 2.2 Vật tư, hóa chất, dụng cụ thiết bị nghiên cứu 2.2.1 Vật liệu hấp phụ sàng phân tử cacbon CMS-240: 2.2.2 Các thiết bị, dụng cụ phục vụ nghiên cứu vật liệu hấp phụ 2.2.2.1 Máy phân tích phân bố kích thước hạt sàng (Screen: Viện Địa chất Địa lý biển – Viện Hàn Lâm Khoa học Cơng nghệ VN) 2.2.2.2 Thiết bị phân tích nhiệt qt vi sai DSC 204F1 NETZSCH – Đức (Viện kỹ thuật nhiệt đới – Viện Hàn Lâm Khoa học Công nghệ VN) 2.2.2.3 Thiết bị phân tích nhiệt trọng lượng TGA209F1 NETZSCH-Đức (Viện kỹ thuật nhiệt đới – Viện Hàn Lâm Khoa học Công nghệ VN) 2.2.2.4 Máy phân tích nhiễu xạ tia X- EDS (Energy dispersive X-ray Analyzer): Model JED-2300 Analysis Station – Nhật Bản (Viện Hóa học Vật liệu – Viện Khoa học Công nghệ quân sự) 2.2.2.5 Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS: Atomic Absorption Spectrometer) (Viện Hóa học Vật liệu – Viện Khoa học Công nghệ quân sự) 2.2.2.6 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) SM-6510LV Jeol – Nhật Bản (Viện kỹ thuật nhiệt đới – Viện Hàn Lâm Khoa học Cơng nghệ VN) 2.2.2.7 Kính hiển vi điện tử quét độ phân giải cao (FE-SEM, S4800Hitachi) tích hợp phân tích phổ tán xạ lượng tia X (EmaxHoriba) (Viện Vệ sinh Dịch Tễ Trung ương) 2.2.2.8 Thiết bị phân tích bề mặt lỗ xốp Trista II 3020 Micromeritics – Mỹ (Viện kỹ thuật nhiệt đới – Viện Hàn Lâm Khoa học Công nghệ VN) 2.2.2.9 Tủ sấy Memmert UN55-Đức (Viện Công nghệ – Tổng cục CNQP) 2.2.3.10 Các thiết bị dụng cụ phân tích khác-VN (Viện Cơng nghệ – Tổng cục cơng nghiệp quốc phịng); Pycnometer 500 ml; Bình định lượng thể tích 100 ml; Cân điện tử (0-1.000) g; độ xác 0,001 g; Thước kẹp pame (0-250) mm, độ xác 0,001 mm; Kính hiển vi quang học 2.3 Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp tiếp cận thu thập thông tin khoa học, tiếp cận tài liệu, lịch sử vấn đề khoa học liên quan đến luận án theo logic: sở lý thuyết chuyên sâu kỹ thuật phân tách khơng khí, kết nghiên cứu cơng bố; sử dụng phương pháp phân tích đại SEM, FESEM, EDX, TG-DSC để nghiên cứu đặc trưng vật liệu hấp phụ sàng phân tử cacbon; sử dụng phương pháp tính tốn, thiết kế để xây dựng hệ thống thực nghiệm điều khiển để nghiên cứu khảo sát, giám sát, theo dõi tham số công nghệ nhiệt độ, áp suất, lưu lượng nồng độ theo thời gian thực; tính tốn, phân tích trở lực qua lớp hạt cơng thức Eurgun đo đạc; thiết lập mơ hình tốn mơ tả trình làm việc cột theo định luật bảo tồn dịng, ràng buộc điều kiện đầu điều kiện biên theo chu kỳ làm việc thiết bị, giả thiết; tính tốn tham số động học thu thập tham số nhiệt động mơ hình; sử dụng thuật tốn Euler lùi ẩn phần mềm Matlab, Presto Aspen Adsorption để mô tối ưu hóa thiết bị; nghiên cứu chuyển quy mơ cơng nghiệp tính tốn mơ phỏng; khảo sát thực nghiệm kiểm chứng phù hợp mơ hình kết mơ Phương pháp xử lý thơng tin: tổng hợp, phân tích nhận xét kết phân tích tính tốn mơ phỏng, kiểm chứng kết mô kết đo thực nghiệm; kết phân tích đo đạc xử lý thông tin bảng biểu, đồ thị 2D, 3D để quan sát quy luật thay đổi tham số công nghệ lựa chọn thông số công nghệ để đạt mục tiêu tối ưu hóa thiết bị Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết nghiên cứu đánh giá vật liệu hấp phụ CMS-240 3.1.1 Các tiêu kỹ thuật chung Bảng 3.1 Kết đo độ ẩm khối lượng riêng T T Tên tiêu Kết phân tích Kết Ký Đơn vị nhà cung cấp, phân tích hiệu tính kiểm tra tra tài liệu Độ ẩm d % - 4,9 Khối lượng riêng đống ρb g/cm3 0,680 0,676 Khối lượng riêng hạt ρp g/cm3 - 0,78 Khối lượng 2,5 2,174 g/cm3 ρs riêng thực (rắn) Bảng 3.1 kết phân tích xác định độ ẩm khối lượng riêng đống, khối lượng riêng hạt khối lượng riêng thực vật liệu CMS-240, số liệu sử dụng để tính tốn xác định độ xốp trong, độ xốp độ xốp tổng cột hấp phụ Hình 3.1 Kết phân tích phân bố cỡ hạt (bằng sàng ghi tiêu chuẩn Viện Địa chất - Viện Hàn lâm KH CN Việt Nam) Hình 3.1, kết phân tích phân bố cỡ hạt, cho thấy kích thước hạt kích thước từ đến 1,4 mm chiếm: 70 %; kích thước từ 0,7 đến mm chiếm: 28 %; kích thước từ 0,5 đến 0,7 mm chiếm: 1,48 %; lại kích thước nhỏ 0,5 mm chiếm: 0,52 % Các cỡ hạt nhỏ 0,7 mm cần loại bỏ khơng đem nhồi vào cột ảnh hưởng đến trở lực, độ xốp độ đồng cột Các kết sử dụng để tính tốn phân tích trở lực qua lớp hạt trình hấp phụ nhả hấp phụ, xây dựng hệ thống thực nghiệm 3.1.2 Phân tích nhiệt DSC TG Hình 3.2 Đồ thị DSC TG mẫu CMS-240 Hình 3.2, kết phân tích nhiệt DSC TG vật liệu CMS-240 khối lượng mẫu ban đầu 23,3 mg, nhìn đồ thị TG cho thấy có giảm khối lượng bắt đầu khoảng 70oC – 110oC với khối lượng giảm 5,164 % q trình giảm khối lượng đạt cực đại nhiệt độ 93,86oC ứng với “peak” thu nhiệt đường vi phân Dự đoán q trình bay hơi nước có vật liệu, kết luận độ ẩm xác vật liệu (lớn kết phân tích độ ẩm chút q trình ẩm triệt để) Tiếp tục tăng nhiệt độ tới 532,85 oC bắt đầu xảy giảm khối lượng ứng với “peak” toả nhiệt đường vi phân Dự đốn q trình bắt đầu xảy tượng đốt cháy cacbon Tiếp tục tăng nhiệt độ cho thấy trình cháy xảy mạnh nhiệt độ 669,78oC ứng với “peak” toả nhiệt đường vi phân khối lượng giảm mạnh tăng nhiệt tới khoảng 850oC tương ứng với lượng giảm 49,375 % Cho thấy mẫu CMS-240 khơng cháy hồn tồn, phân tích nhiệt điều kiện C khơng cháy hồn tồn được, cịn hàm lượng cacbon khơng cháy (do oxy hố) cịn lại, dự đốn thành phần vật liệu CMS-240 chủ yếu C Kết cho biết tính chất nhiệt vật liệu 3.1.3 Phân tích thành phần cấu trúc vật liệu + Kết phân tích cấu trúc hạt vật liệu: a) b) Hình 3.3 Ảnh chụp cắt lớp ảnh SEM 1x10 hạt CMS-240 Hình 3.3a Hình 3.3b, kết chụp mẫu hạt trịn hình trụ đường kính ≈1,2mm cắt dọc cho thấy kết cấu hạt vật liệu bao gồm lớp vật liệu rõ rệt vỏ màu đen xẫm lõi màu xám Lớp ngồi màu đen đậm có độ dày khoảng 10 đến 50µm thành phần chúng khác khác nhiệt q trình hoạt hóa bề mặt bên vật liệu trình tẩm phủ hình thành vật liệu Cần phải xác định xác thành phần C để khẳng định chất phương pháp chế tạo a) b) Hình 3.6 Ảnh FE-SEM 1x200K bên hạt CMS-240 Các ảnh FE-SEM Hình 3.6 a, b cho ta thấy rõ cấu trúc từ mao quản lớn từ đến µm; mao quản trung bình từ đến µm phiến có khe hẹp vi mao quản nhỏ đồng đều, đặc trưng quan trọng vật liệu sàng phân tử nói chung Điều chứng tỏ vật liệu hoạt hóa tốc độ cao điều kiện nghiêm ngặt Do hạn chế máy đo nên không quan sát cấu trúc vi mao quản xác định kích thước nó, đánh giá cấu trúc qua hiệu suất hấp phụ O2 N2 + Kết phân tích thành phần: Thành phần lớp ngoài: 4000 010 3600 C 3200 2800 Counts 2400 2000 1600 1200 800 O 400 0.00 Hình 3.7 Vị trí dị lớp bên ngồi hạt vật liệu 0.80 1.60 2.40 3.20 4.00 4.80 5.60 6.40 7.20 keV Hình 3.8 Phổ nhiễu xạ tia X đầu dò EDS-JED 2300 Thành phần lớp trong: Hình 3.9 Vị trí dị lớp bên hạt vật liệu Hình 3.10 Phổ nhiễu xạ tia X đầu dị EDS–JED 2300 Hình 3.7 đến Hình 3.10, cho thấy thành phần C lớp thấp lớp (96,95 % < 98,11 %) Điều q trình hoạt hóa chế tạo vật liệu C lớp ngồi bị oxy hóa nhiều lớp hàm lượng C bị giảm 3.1.4 Tính tốn bề mặt riêng Do khơng đo bề mặt riêng phân bố kích thước mao quản phương pháp BET Việt Nam, nên phải xác định phương pháp tính tốn gần theo suất thời gian hấp phụ tối đa cột: + Số mol O2 bị hấp phụ là: 11 Tổng tổn thất áp suất qua cột hấp phụ (3-56): = ∆PT ( hp ) λh 150.µ (1 − ε t )2 1,75.(1 − ε t ) ρ g  ν hp + ν hp  H + ε t3 (d p ψ )  (d p ψ ) ε t  2.H CMS ρν ta Hình 3.18, cho thấy kết tính tốn trở lực qua lớp hạt phụ thuộc tuyến tính vào tốc độ qua lớp hạt Nhưng thực nghiệm đo áp suất theo chiều cao cột trình hấp phụ cho thấy tổn thất áp suất khơng phụ thuộc tuyến tính vào tốc độ mà đường cong q trình hấp phụ nhả hấp phụ xảy ra, giá trị khác với giá trị tính tốn 3.4 Kết thiết lập mơ hình tốn mơ tả cột hấp phụ Bảng – So sánh mơ hình tốn mơ tả q trình hấp phụ nhả hấp phụ pha khí pha rắn tương ứng Mơ hình tốn mơ tả q trình hấp phụ (từ pha khí) (2-39) Mơ hình tốn mơ tả q trình nhả hấp phụ (từ pha rắn) (2-43) ∂pdes ∂ pdes ∂pi  − ε  ∂pi ∂ pi ∂pdes  − ε  −uapdes − Ddes K= −uc + DL 1 + K  = 1 + ∂t  ε  ∂z ∂z ∂t  ε ∂z ∂z  + Điều kiện đầu z = 0, t = pi ( z ,= t 0= ) áp suất chu pdes ( z,=t 0=) kỳ đầu tiên; áp suất ban đầu chu kỳ pi ≠ + Điều kiện biên tại: z =  d DL ∂pi  pi + uc ∂z  0, t pi= z = ( )   DL ∂pi  u ∂z z = 0,t  c ;0 ≤ t ≤ t c z = 0,t ;t ≥ tc + Điều kiện biên tại: z = L: ∂pi ∂t  d Ddes ∂pdes ;0 ≤ t ≤ t c  pdes − pdes= ( z 0,=t )  udes ∂z z=0,t  c ; t ≥ tc  pdes =0 z=L ∂pdes ∂t =0 z=L 12 Mơ hình tốn mơ tả trình hấp phụ (2-39) nhả hấp phụ (243) chất phương trình vi phân riêng phần biểu diễn thay đổi áp suất riêng phần O2 theo thời gian theo chiều cao cột, khác dấu thành phần khuếch tán từ pha khí pha rắn, điều kiện đầu, điều kiện biên Các phương trình thể tính chất vật liệu số hấp phụ K, đặc tính cấu tạo cột độ xốp ε, đặc tính chế độ chảy qua cột tốc độ v trình vận tải pha khí – pha rắn hệ số khuếch tán dọc trục DL Sự thay đổi áp suất riêng phần O2 phụ thuộc vào thời gian chiều cao cột; tốc độ hệ số khuếch tán coi không đổi tiết diện cột Nếu tác động mơ hình (2-43) diễn biến chậm nhiều mơ hình (2-39) tốc độ dịng khí nhả hấp phụ thấp giảm dần theo thời gian Hai mơ hình tốn sử dụng để mơ q trình hấp phụ nhả hấp phụ coi hệ số khuếch tán theo hướng kính khơng đáng kể Nếu thiết bị phân tách có suất lớn cần phải tính đến hệ số khuếch tán hướng kính, phụ thuộc vào vận tốc hướng kính, hệ số khuếch tán tổng đại lượng vector tổng hợp hai phương dọc trục hướng kính 3.5 Tính toán tốc độ hệ số khuếch tán Vận tốc dịng khí qua cột hấp phụ xốp xác định theo: uc = Vkk π D2 εi (3-57) [m/s] Hệ số khuếch tán phân tử xác định theo (DAB) :  1  T  +  MA MB   = 0, 00158 P.σ AB Ω AB 1/2 3/2 DAB (3-58) Hệ số khuếch tán màng (Dk): = Dk RT T = R p 9700 RP (cm2/s) πM M (3-59) 13 Hệ số khuếch tán dọc trục DL xác định theo: 1 = + DL DAB Dk (3-60) Kết xác định hệ số khuếch tán có quan hệ tuyến tính với tốc độ, ta mơ q trình hấp phụ nhả hấp phụ tốc độ nào, Hình 3.19 Từ kết phân tích tính tốn ε, K, uc DL cho q trình hấp phụ nhả hấp phụ, từ hồn tồn mơ cột chu trình thay đổi áp suất (quá trình hấp phụ nhả hấp phụ) thuật toán OLE lùi ần ngơn ngữ lập trình Matlab, Presto cài đặt máy tính để giải phương trình vi phân riêng phần (2-39) (2-43) Việc nghiên cứu mô quy luật làm việc cột hấp phụ theo áp suất riêng phần O2 tốc độ khác để tìm điều kiện làm việc tối ưu cột, để thời gian nhả hấp phụ = thời gian hấp phụ phải sử dụng tác nhân tái sinh cột y=31.675x+0.0492 R =1 D L 10 (cm /s) 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 u (m/s) c Hình 19 Mối quan hệ tốc độ dịng khí uc hệ số khuếch tán dọc trục DL 14 3.6 Tổng hợp tham số cột mô hình Bảng 3.6 Tổng hợp kết tính tốn thơng số mơ hình thiết bị tạo khí N2 TT Thông số I Vật liệu hấp phụ Dạng Bán kính hạt, Rp Đơn vị tính Số lượng CMS-240 - Hình trụ cm 0,12 Khối lượng riêng đống, ρb g/cm 0,676 Khối lượng riêng hạt, ρp g/cm3 0,780 g/cm3 2,174 Khối lượng riêng thực (khối lượng riêng rắn), ρs Độ xốp ngoài, εi - 0,1326 Độ xốp trong, εp - 0,556 Độ xốp tổng, εt - 0,615 Độ tinh khiết % 98 cal/g.K 0,27 10 11 Nhiệt dung riêng CMS-240, Cps Nhiệt độ sấy o C 70-110 1146 12 Bề mặt riêng, Sr m /g II Cột hấp phụ Khối lượng CMS-240/cột kg 3,5 Chiều cao cột CMS, H cm 62,9 Chiều cao tổng cột, HT cm 83,4 Bán kính cột, RB,i cm 5,1 Bán kính ngồi cột, RBo cm 5,7 cột B1,B2 15 Nhiệt dung riêng vật liệu làm cột (thép), Cpw Khối lượng riêng vật liệu làm cột (thép), ρw cal/g.K 0,12 g/cm3 7,83 Hệ số truyền nhiệt bên trong, hi cal/cm2.K.s 9,2x10-4 Hệ số truyền nhiệt bên ngoài, ho cal/cm2.K.s 3,4x10-4 Hằng số cân O2, KA 9,25 Hằng số cân N2, KB 8,9 10 11 Tải lượng cân O2, qAS Tải lượng cân N2, qBS mol/cm3 2,64.10-3 mol/cm3 2,64.10-3 12 Hằng số LDF O2, kA s-1 44,71.10-3 13 Hằng số LDF N2, kB s-1 7,62.10-3 14 Hệ số khuếch tán dọc trục, DL cm2/s 8,5-1,92.10-6 II Năng suất cột L/ph ĐKTC 10-14 Áp suất làm việc bar đến Áp suất xả bar Nhiệt độ làm việc K 298 kmol/s 24,4.10-6 Số mol không khí cấp vào thiết bị, nkk Số mol N2 sản phẩm kmol/s 11.10-6 Số mol N2 rửa cột kmol/s 8,6.10-6 Số mol O2 bị hấp phụ kmol/s 4,8.10-6 16 3.7 Mơ tối ưu hóa thiết bị tạo khí N2 3.7.1 Mơ tối ưu hóa cột + Mơ tối ưu cột phần mềm Matlab từ áp suất nạp bar đến bar theo phương trình (2-39) để tìm điều kiện làm việc tối ưu cột Hình 3-20, kết mô áp suất nạp bar cột đạt điều kiện làm việc tối ưu (pi = 0, z = L) Hình 3.20 Kết mơ áp suất riêng phần O2 theo thời gian chiều cao cột áp suất nạp bar, thời gian chạy 460s Quan sát Hình 3.20 dự đoán thời gian hấp phụ cột khoảng từ đến 40s Chạy lại chương trình mơ kết quả, Hình 3.21 Hình 3.21 Kết mơ áp suất riêng phần O2 theo thời gian chiều cao cột áp suất nạp bar, thời gian chạy 40s 17 Từ kết mô Hình 3.21 xuất kết áp suất thời điểm tiết diện hay độ cao cột Các Hình 3.22 3.23 hình 2D Hình 3.23 thời điểm t = 40 s độ cao cột h = 0,65 m Hình 3.22 Áp suất riêng phần O2 theo chiều cao cột, thời điểm 40s Hình 3.23 Áp suất riêng phần O2 theo thời gian, đầu cột áp suất nạp bar 18 Hình 3.22 cho thấy áp suất riêng phần O2 chiều cao 0,65 m (cuối cột) trở lại bình thường bar tổn thất áp suất tương ứng qua cột xấp xỉ từ đến 0,2 bar Hình 3.23 cho thấy áp suất riêng phần đầu cột (z = 0,65m) bắt đầu tăng sau khoảng 30 giây Điều có nghĩa thời gian cột bão hòa, khả hấp phụ giảm Thời gian hấp phụ xác định gần 30s Tương tự vậy, tăng áp suất nạp lên 5,5 bar tìm thời gian hấp phụ 30s, có nghĩa cột đạt trạng thái bão hòa từ áp suất nạp bar, áp suất nạp > bar không cần khảo sát Tương tự phần mềm Matlab, mô cột phần mềm Presto quan sát thay đổi áp suất cột phần mềm Aspen Adsorption tối ưu cột dòng sản phẩn tinh khiết sử dụng trình tái sinh cột 3.7.2 Mơ tối ưu hóa hai cột thiết bị tạo khí N2 Vì thời gian nhả hấp phụ kéo dài nên cột tái sinh dòng khí N2 tinh khiết chảy ngược dịng với lưu lượng tối ưu cột nhả hấp phụ hồn tồn Điều có nghĩa muốn mơ tối ưu cột (thiết bị) phải tìm tốc độ dòng tái sinh hợp lý cho thời gian hấp phụ nhả hấp phụ Từ Hình 3.21 Hình 3.53 cho thấy kết mơ thay đổi áp suất riêng phần O2 q trình hấp phụ pha khí (G) trình nhả hấp phụ từ pha rắn (R) theo thời gian theo chiều cao cột ngược chiều điều kiện làm việc tối ưu Hình 3.53 Sự thay đổi áp suất riêng phần O2 trình nhả hấp phụ áp suất từ đến 1,5 bar 19 Hình 3.57 Sự thay đổi áp suất riêng phần O2 chu kỳ sau theo thời gian đầu cột z = 0,65 m, áp suất bar Từ Hình 3.23 Hình 3.57 cho thấy rõ thay đổi áp suất riêng phần O2 theo thời gian đầu cột (z = 0,65 m) tăng giảm ngược ứng với hai trình hấp phụ nhả hấp phụ thời gian hấp phụ nhả hấp phụ 30 s hai trình tối ưu hóa Tổn thất áp suất qua cột xấp xỉ 0,2 bar Tương tự phần mềm Matlab, sử dụng phần mềm Presto Đức để mô chiều thay đổi áp suất di chuyển cột 3.7.3 Mơ tối ưu hóa thiết bị Aspen Adsorption Kết xây dựng mơ hình thiết bị, trình bày Hình 3.58 Sơ đồ cơng nghệ thiết bị tạo khí N2 sử dụng chu trình PSA từ khối có sẵn thư viện phần mềm Hình 3.58 Sơ đồ cơng nghệ mơ máy tạo khí N2 sử dụng chu trình PSA 20 Kết mơ tối ưu hóa cột công cụ Optimization với hàm suất, biến lưu lượng N2 tái sinh điều kiện biên nồng độ sản phẩm đầu ≥ 99,5% N2 ổn định trình bày Hình 3.61 đến Hình 3.62 Hình 3.61 thể thay đổi áp suất đầu cột theo thời gian ngược chu kỳ, thể hai cột làm việc luân phiên Áp suất thay đổi trình hấp phụ nhả hấp phụ ổn định Để tối ưu hóa thiết bị sử dụng công cụ Optimizer với hàm f(x) lưu lượng sản phẩm P1 biến x lưu lượng dòng tái sinh Purg điều chỉnh van Vpurg, với điều kiện đầu áp suất dòng nạp F1 p (nạp) = bar điều kiện biên nồng độ dòng P1 (C% N2 ≥ 99,5%) Có kết mơ Hình 3.62, thể thay đổi nồng độ sản phẩm đầu ra, van Vpurg chạy với hệ số lưu lượng R = 0,35 sản phẩm thu hồi Hình 3.61 Sự thay đổi áp suất cột B1, B2 Hình 3.62 thể thay đổi nồng độ N2 O2 ổn định đầu thiết bị, nồng độ O2 N2 tăng dần chu kỳ đầu, sau đến chu kỳ làm việc ổn định dần đạt ổn định Hình 3.62 Sự thay đổi nồng độ N2 O2 đầu thiết bị 21 3.7.4 Khảo sát tối ưu hóa thiết bị thực nghiệm Hình 3.70 Độ tinh khiết sản phẩm phụ thuộc vào tỷ lệ thu hồi sản phẩm Hình 3.71 Sự thay đổi áp suất cột, hai cột luân phiên Hình 3.73 Sự thay đổi lưu lượng khơng khí vào/ra cột 22 Hình 3.74 Sự thay đổi nồng độ N2/O2 đầu cột 3.8 Kết nghiên cứu mô chuyển quy mô Kết nghiên chuyển quy mơ thiết bị tạo khí N2 sử dụng chu trình PSA mơ suất 50 lít/phút N2 ≥ 99,5 % điều kiện tiêu chuẩn để sử dụng cấp khí N2 cho q trình vận tải hexamine trình sản xuất thuốc nổ RDX Sử dụng kết phân tích tính tốn, nhập số liệu vào phần mềm mơ phỏng: đường kính cột Db = 0,160m; chiều cao lớp hấp phụ Hb = 0,92 tham số động học tính tốn Kết mơ cho bố số công nghệ làm việc tối ưu thiết bị: thời gian hấp phụ 40s, áp suất 5,5 bar sản phẩm đạt độ tinh khiết ổn định ≥ 95,5 % tỷ lệ thu hồi R = 0,35 Hình 3.84 Thiết bị tạo khí N2 sử dụng chu trình PSA suất 50 lít/phút, hàm lượng N2 ≥ 99,5 % điều kiện tiêu chuẩn 23 KẾT LUẬN *Các kết luận án: Luận án xác định đặc vật liệu hấp phụ sàng phân tử carbon CMS-240, kết phân tích cho thấy chúng chế tạo phương pháp tẩm phủ hoạt hóa tốc độ cao, cấu trúc vật liệu có nhiều vi mao quản kích thước đồng đều; xây dựng thành cơng hệ thống thiết bị thực nghiệm tạo khí N2 quy mơ pi-lot điều khiển giám sát thu thập sơ liệu dễ dàng; tính tốn, phân tích trở lực qua lớp hạt cột, thực tế tổn thất áp suất qua lớp hạt không phụ thuộc tuyến tính vào tốc độ giai đoạn hấp phụ nhả hấp phụ sức hút mao quản; Luận án thiết lập mơ hình tốn mơ tả quy luật hấp phụ nhả hấp phụ cột hấp phụ theo áp suất riêng phần oxy phụ thuộc vào thời gian chiều cao cột với điều kiện đầu điều kiện biên chế độ làm việc cột theo chu trình PSA; tính tốn xác định thơng số mơ hình; đồng thời chọn thuật tốn OLE để lập trình mơ cột hấp phụ thiết bị phần mềm Matlab, Presto Aspen Adsorption; nghiên cứu khảo sát quy luật thay đổi tham số công nghệ đặc biệt áp suất, tổn thất áp suất yếu tố ảnh hưởng đến suất độ tinh khiết sản phẩm tối ưu hóa thiết bị Kết khảo sát thực nghiệm chứng tỏ tương hợp mô hình kết mơ thiết bị nghiên cứu; Luận án nghiên cứu chuyển quy mơ cơng nghiệp thiết bị tạo khí N2 quy mơ cơng nghiệp thành cơng tính tốn mơ suất khác nhau; đồng thời xây dựng phương pháp nghiên cứu hoàn chỉnh phơ tối ưu hóa thiết bị phân tách khơng khí sử dụng vật liệu hấp phụ sàng phân tử chu trình hấp phụ thay đổi áp suất * Các đóng góp luận án: - Luận án làm sáng tỏ quy luật thay đổi áp suất cột thiết bị tạo khí N2 theo chiều cao cột theo thời gian chu kỳ làm việc cột thiết bị mơ hình tốn theo áp suất riêng phần O2, thông qua phần mềm tự xây dựng phần mềm thương mại, mô thực nghiệm mô kiểm chứng thành công thiết bị tạo khí N2 - Đã nghiên cứu chuyển quy mơ thành công cho ứng dụng cụ thể suất phù hợp đạt kết tốt tính tốn kết hợp với mô kỹ 24 thuật phân tách hấp phụ sử dụng kỹ thuật hấp phụ, vật liệu sàng phân tử chu trình PSA hồn chỉnh Ngồi ra, luận án xây dựng phương pháp nghiên cứu hồn chỉnh mơ tối ưu hóa thiết bị phân tách sử dụng kỹ thuật hấp phụ vật liệu hấp phụ sàng phân tử Việt Nam * Hướng nghiên cứu tiếp theo: - Nghiên cứu mơ thay đổi nhiệt độ q trình hấp phụ nhả hấp phụ thiết bị tạo khí N2 làm việc theo chu trình hấp phụ thay đổi áp suất - Nghiên cứu mô tối ưu hóa thiết bị tạo khí O2 sử dụng chu trình hấp phụ thay đổi áp suất vật liệu hấp phụ sàng phân tử Zeolite 5A, 13X sử dụng y tế, hỗ trợ điều trị cho bệnh nhân mắc Covid-19 Việt Nam… DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ Phạm Văn Chính, Nguyễn Tuấn Hiếu, Lê Quang Tuấn, Vũ Đình Tiến (2018) Xây dựng mơ hình thiết bị PSA, nghiên cứu, tối ưu hóa chu trình hấp phụ với áp suất thay đổi để tách khí nitơ từ khơng khí, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Công nghệ quân (ISSN 1859-1043), số 56, p 157-165 Phạm Văn Chính, Nguyễn Tuấn Hiếu, Lê Quang Tuấn, Vũ Đình Tiến (2018) Thiết kế hệ thống đo lường, điều khiển để nghiên cứu tối ưu hóa thiết bị tạo khí nitơ sử dụng chu trình áp suất thay đổi, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Công nghệ quân (ISSN 1859-1043), số đặc san 08, p 269-275 Phạm Văn Chính, Nguyễn Tuấn Hiếu, Lê Quang Tuấn, Vũ Đình Tiến (2019) Nghiên cứu mơ phỏng, tối ưu hóa thiết bị tách khí nitơ theo chu trình hấp phụ áp suất thay đổi (PSA) phần mềm Aspen Adsorption, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Công nghệ quân (ISSN 1859-1043), số 61, p.140-149 Phạm Văn Chính, Nguyễn Tuấn Hiếu, Lê Quang Tuấn, Vũ Đình Tiến (2019) Nghiên cứu so sánh lựa chọn chu trình hấp phụ thay đổi áp suất bước bước thiết bị tạo khí N2 Tạp chí Xúc tác Hấp phụ (ISSN 0866-7411), Volume 8, Issue 3, p25-31 Phạm Văn Chính, Nguyễn Tuấn Hiếu, Lê Quang Tuấn, Vũ Đình Tiến (2019) Nghiên cứu vật liệu hấp phụ sàng phân tử cacbon CMS-240 sử dụng thiết bị tạo khí N2, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Cơng nghệ qn (ISSN 1859-1043), số 62, p97-105 Pham Van Chinh, Nguyen Tuan Hieu, Nguyen Tan Y, Nguyen Hoang Nam, Do Van Thom, Ngo Thi Anh, Vu Dinh Tien (2019) Simulation and experiment study of a single fixed bed model of nitrogen gas generator working by pressure swing adsorption Special Issue “Chemical Process Design, Simulation and Optimization” of Journal Processes (ISSN 2227-9717) Processes 2019, (10), 654; https://doi.org/103390/pr7100654 Phạm Văn Chính, Nguyễn Tuấn Hiếu, Lê Quang Tuấn, Vũ Đình Tiến (2019) Nghiên cứu thiết lập mơ hình tốn mơ tả trình hấp phụ thay đổi áp suất thiết bị tạo khí N2 Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Công nghệ quân (ISSN 1859-1043), số đặc san FEE – tháng 10, p357-364 Phạm Văn Chính, Nguyễn Tuấn Hiếu, Lê Quang Tuấn, Vũ Đình Tiến (2019) Nghiên cứu mô thay đổi áp suất riêng phần oxi cột thiết bị tạo khí nitơ làm việc theo chu trình hấp phụ thay đổi áp suất Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Cơng nghệ quân (ISSN 1859-1043), số 64 –tháng 12, p132-139 Pham Van Chinh, Nguyen Tuan Hieu, Le Quang Tuan, Vu Dinh Tien (2019) Caculation and simulation study of pressure drop through a single fixed bed of nitrogen gas generator using pressure swing adsorption, CASEAN-6 Proceedings (ISBN 978-604-913-088-5), p60-66 10 Phạm Văn Chính, Nguyễn Tuấn Hiếu, Lê Quang Tuấn, Vũ Đình Tiến (2020) Nghiên cứu tính tốn tham số động học mơ hình tốn mơ tả q trình hấp phụ cột thiết bị tạo khí N2 làm việc theo chu trình hấp phụ thay đổi áp suất (PSA) sử dụng vật liệu hấp phụ sàng phân tử cacbon CMS-240 Tạp chí Xúc tác Hấp phụ (ISSN 0866-7411), Volume 9, Issue 1, p1-7 ... trình hấp phụ thay đổi áp suất - Nghiên cứu mô tối ưu hóa thiết bị tạo khí O2 sử dụng chu trình hấp phụ thay đổi áp suất vật liệu hấp phụ sàng phân tử Zeolite 5A, 13X sử dụng y tế, hỗ trợ điều... phụ vật liệu hấp phụ sàng phân tử Việt Nam * Hướng nghiên cứu tiếp theo: - Nghiên cứu mô thay đổi nhiệt độ trình hấp phụ nhả hấp phụ thiết bị tạo khí N2 làm việc theo chu trình hấp phụ thay đổi. .. án: Nghiên cứu quy luật hấp phụ nhả hấp phụ O2 bề mặt vật liệu hấp phụ sàng phân tử cacbon cột thiết bị tạo khí N2 sử dụng chu trình hấp phụ thay đổi áp suất mơ hình tốn mô phần mềm Trên sở mô