Các thông số thiết kế của của hệ thống thiết bị đƣợc lấy theo mô hình thực nghiệm của Richard S. Todd [8] với các thông số công nghệ nhƣ sau:
- Lƣu lƣợng khí đầu vào: 0,01m3/s - Nhiệt độ khí vào: 296K - Thành phần khí đầu vào: + Oxy (0,22kmol/kmol khí) +Nitơ (0,78 kmol/kmol khí) - Áp suất hấp phụ: 1,5 bar - Áp suất nhả hấp phụ: 0,3 bar 4.2.1Lựa chọn vật liệu
Trong quá trình xây dựng đƣợc các hệ thống làm giàu Oxy, ngoài các phƣơng pháp hấp phụ và nhả hấp phụ còn cần tới lựa chọn vật liệu hấp phụ Oxy nhằm đạt đƣợc hiệu quả hấp phụ tối ƣu nhất. Th ng thƣờng, ngƣời ta thƣờng sử dụng các Zeolite là 10X, 13X và 5A. Các loại Zeolite này có mức độ hấp phụ tƣơng đƣơng nhau, nhƣng mỗi loại Zeolite lại thích hợp cho một chu trình riêng. Zeolite 5A thích hợp với chu trình hấp phụ PSA. Ngƣợc lại, 10X và 13X phù hợp trong dây chuyền công nghệ sử dụng chu trình VSA. Trong giới hạn nghiên cứu chu trình hấp phụ thay đổi độ chân kh ng VSA, Zeolite 13X đƣợc lựa chọn sử dụng cho quá trình tính toán. Một số thông số vật lý của Zeolite 13X.
HVTH: Đỗ Phú Khánh Trang 75
Bả 4.9: Các đặc tính của Zeolite 13X
Công thức hóa học Na86[(AlO2)86(SiO2)106].H2O Khối lƣợng riêng đổ đống ~647 kg/m3
Kích thƣớc pellet trung bình ~1,97mm
Độ xốp 0,375
Đƣờng kính mao quản 0,3 µm
4.2.2Lựa chọn kích thước cột hấp phụ
Sau khi tham khảo một số mô hình phòng thí nghiệm của các hệ thống hấp phụ VSA. Kích thƣớc cột hấp phụ đƣợc lựa chọn trong tính toán có D=0,102m, L=1,95m, chiều cao chất hấp phụ trong cột H=1,8m.
4.3 Giới thiệu về Aspen Adsorption
Mô phỏng - simulation là phƣơng pháp m hình hóa dựa trên việc thiết lập mô hình số và sử dụng phƣơng pháp số để tìm ra lời giải với sự trợ giúp của máy vi tính. Để mô phỏng một quá trình trong thực tế đòi hỏi:
- Mô hình nguyên lí: nguyên lí của quá trình và mối liên hệ giữa các thông số liên quan.
- Mô tả toán học: dùng các công cụ toán học để mô tả mô hình nguyên lí - Xử lý các biểu thức và các ràng buộc.
Tất nhiên một quá trình trong thực tế là một tập hợp gồm rất nhiều yếu tố phức tạp mà không thể có một mô tả toán học nào có thể cho kết quả chính xác tuyệt đối. Độ phức tạp của quá trình tăng lên, đồng nghĩa với số lƣợng các thông số liên quan, biến số, phƣơng trình, ràng buộc tăng lên. Giải quyết cùng lúc cả 3 bƣớc trên đòi hỏi một khối lƣơng tính toán cực kì lớn, và nhƣ vậy mô phỏng với sự trợ giúp của máy vi tính là tất yếu. Trong ngành công nghệ hóa học nói chung và công nghệ lọc hóa dầu nói riêng, mô phỏng đóng vai trò v cùng quan trọng trong việc thiết kế, phân tích, vận hành và tối ƣu hoá hệ thống.
Aspen One là một gói phần mềm mô phỏng các quá trình công nghệ hóa học do hãng AspenTech của Mỹ phát triển, đƣợc sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu và
HVTH: Đỗ Phú Khánh Trang 76
ứng dụng để tối ƣu quá trình sản xuất trong công nghiệp. Aspen sử dụng các mô hình toán học để mô phỏng quá trình. Với nguồn cơ sở dữ liệu khổng lồ, Aspen có thể xử lý các quá trình rất phức tạp, bao gồm cả hệ thống phân tách nhiều cột, thiết bị phản ứng, chƣng cất các hợp chất phản ứng hóa học. Aspen Adsorption là một modul trong bộ phần mềm mô phỏng Aspen One.
Modul Aspen Adsorption có thể ứng dụng để thiết kế, mô phỏng và tối ƣu hóa các quá trình hấp phụ để phân tách khí, chẳng hạn nhƣ 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 không (VSA). Aspen Adsorption có một công cụ mạnh là Cyclic Steady State (CSS) cho phép một quá trình hấp phụ có chu kỳ ở trạng thái ổn định. Mô hình Aspen hấp phụ CSS cung cấp một công cụ thiết kế rất hiệu quả có thể dễ dàng sử dụng nhƣ là một gói phần mềm tối ƣu hóa để xác định thiết kế và điều hành các điều kiện tối ƣu cho quá trình tính toán và thiết kế các hệ thống hấp phụ. Trong nghiên cứu này, Aspen Adsorption đƣợc sử dụng để thiết lập mô hình và mô phỏng hệ thống thiết bị tạo Oxy bằng chu trình thay đổi độ chân không (VSA).
4.4 Các giả thiết cơ bản
Để có thể mô phỏng sử dụng mô hình toán có sẵn trong Aspen Adsorption, cần chấp nhận các giả thiết cơ bản sau:
- Hệ đƣợc xem là đẳng nhiệt với áp suất tổng trong cột đƣợc duy trì là hằng số trong các bƣớc lấy sản phẩm và làm sạch.
- Quan hệ hấp phụ cân bằng tuân theo đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, với giá trị hằng số hấp phụ cân bằng của Nitơ và Oxy có sẵn trong cơ sở dữ liệu của phần mềm Aspen Adsorption.
- Biến thiên áp suất riêng phần chỉ theo chiều dọc cột (bỏ qua biến thiên theo phƣơng hƣớng kính).
- Hệ số cấp khối đƣợc biểu diễn thông qua quan hệ động lực tuyến tính (Linear driving force).
HVTH: Đỗ Phú Khánh Trang 77
- Vận tốc dòng khí trong lớp vật liệu hấp phụ đƣợc xác định theo cân bằng vật chất và phƣơng trình khí lý tƣởng PV = nRT.
4.5 Mô phỏng quá trình làm việc của thiết bị tạo Oxy trên Aspen Adsorption
Về cơ bản các bƣớc thiết lập mô hình trong Aspen Adsorption bao gồm:
- Nhập các thông số vật lý của các cấu tử trong hệ (trong trƣờng hợp này là không khí, Nitơ và Oxy) từ ngân hàng dữ liệu của Aspen Properties.
- Trong phần “Gas Dynamic” của thƣ viện “Libraries” của Aspen Adsorption, chọn các biểu tƣợng đầu vào (gas feed), van các loại (valves), cột hấp phụ (gas bed), đầu ra (gas product) và các đƣờng nối (connections) để xây dựng sơ hệ thống thiết bị phù hợp với mô hình nhƣ Hình 4.1.
- Click đúp chuột và từng thành phần trong sơ đồ đã xây dựng để nhập thông số hoặc chọn các thông số sẵn có trong cơ sở dữ liệu.
- Trong phần công cụ “Tool”, chọn “Cycle Organizer” để thiết lập chu trình làm việc 4 bƣớc nhƣ đã m tả ở phần trên.
- Tiến hành chạy mô phỏng bằng công cụ “Run”. Sau mỗi lần chạy, tiến hành điều chỉnh thời gian trong “Cycle Organizer” để tìm điều kiện làm việc phù hợp và trích xuất kết quả.
Lựa chọn mô hình VSA có sẵn trong Demonstration hay có thể thiết lập nhƣ hình theo các bƣớc nhƣ trên ta có sơ đồ dây truyền công nghệ nhƣ sau:
HVTH: Đỗ Phú Khánh Trang 78
H 4.2: Sơ đồ dây chuyền công nghệ tạo khí Oxy theo chu trình VSA
trong phần mềm Aspen Adsorption
Tiến hành nhập các thông số đầu vào F1 nhƣ hình 4.2 với: - Nhiệt độ dòng vào: 296,15K
- Áp suất dòng vào: 1,5 bar
- Nồng độ phần mol của Nitơ: 0,78 - Nồng độ phần mol của Oxy: 0,22
HVTH: Đỗ Phú Khánh Trang 79
H 4.3: Các thông số kỹ thuật của dòng vào F1
Tiếp đó, cài đặt chu kỳ làm việc trong Cycle Organizer.
H 4.4: Bảng cài đặt chu kỳ làm việc
Các bƣớc trong chu kỳ làm việc gồm 8 bƣớc sau:
- Bƣớc 1: Cột 1 điều áp và hấp phụ, cột 2 hút chân không.
Với thời gian điều chỉnh áp suất ở hai cột là 12 giây, chọn Time driven = 12s. - Bƣớc 2: Cột 1 điều áp và lấy sản phẩm, cột 2 hút chân không.
HVTH: Đỗ Phú Khánh Trang 80
- Bƣớc 3: Cột 1 xả áp, cột 2 giải hấp phụ. Chọn Time driven = 5s.
- Bƣớc 4: Cân bằng áp suất giữa cột 1 và cột 2. Chọn Time driven = 3s.
- Các bƣớc từ 5-8 giống các bƣớc từ 1-4 nhƣng đổi vai trò giữa cột 1 với cột 2. Trong Cycle Organizer, chọn Step vào Manipulated để tiến hành cài đặt hoạt động của các van trong từng bƣớc của chu kỳ, với các thông số hoạt động nhƣ sau:
Có thể tiến hành thêm hay bớt biến trong phần Variable, thêm hay bớt bƣớc trong chu kỳ trong step/ add insert step.
Các bƣớc cài đặt hoạt động van giống nhƣ sơ đồ dây chuyền công nghệ đã đề cập ở phần trên.
H 4.5: Cài đặt các thông số hoạt động của các van
Sau khi cài đặt xong các bƣớc trong chu kỳ, vào Cycle chọn Generate Task, cài đặt hoàn thành khi xuất hiện và ở góc dƣới Cycle Organizer.
HVTH: Đỗ Phú Khánh Trang 81
Tiếp theo cài đặt cột hấp phụ trong Froms, có thể điều chỉnh các thông số của cột hấp phụ, chất hấp phụ, các chế độ trao đổi chất, trao đổi nhiệt bên trong.
Trong mục Default from, cài đặt các thông số: chiều kiểu cột, biên dạng cột, chiều cao của lớp chất hấp phụ trong cột, đƣờng kính trong của cột.
H 4.6: Cài đặt các thông số kỹ thuật bên trong cột 1
Sau khi hoàn thành tất cả các cài đặt chọn nút trên thanh công cụ, quá trình mô phỏng bắt đầu.
Quá trình mô phỏng hoàn thành khi hiển thị bảng sau:
HVTH: Đỗ Phú Khánh Trang 82
4.6 Kết quả mô phỏng
Tiến hành chạy mô phỏng hệ thống tạo khí Oxy bằng phần mềm Aspen Adsorption ở chế độ Dynamic. Vì vậy mô phỏng cũng đƣợc tiến hành ở áp suất hấp phụ của cột là 1,4 bar và áp suất nhả hấp phụ là 0,3bar. Biến thiên áp suất trong cột 1 và cột 2 đƣợc biểu diện trong Hình 4.8.
H 4.8: Biến thiên áp suất và nhiệt độ
Nhìn vào đồ thị ta thấy, hai cột áp suất có biến thiên áp suất giống nhau, nhƣng lệch pha nửa chu kỳ làm việc (30 giây).
Theo chu kỳ làm việc 8 bƣớc, khí Oxy sản phẩm đƣợc lấy ra gián đoạn. Biến thiên phần mol của khí Oxy sản phẩm đƣợc biểu diễn trong Hình 4.9. Kể từ khi hệ thống bắt đầu làm việc, sau khoảng 10 chu kỳ thì phần mol của khí Oxy trong dòng sản phẩm đạt đƣợc khoảng 93-95%.
HVTH: Đỗ Phú Khánh Trang 83
H 4.9: Biến thiên phần mol của Oxy và Nitơ trong dòng khí sản phẩm
Kết quả này là khả quan và phù hợp với kết quả thực tế điều này cho thấy Aspen Adsorption là công cụ đáng tin cậy để mô phỏng và tối ƣu các quá trình và thiết bị hấp phụ.
Oxy
HVTH: Đỗ Phú Khánh Trang 84
KẾT LUẬN
Phƣơng pháp phân tách Oxy bằng chu trình VSA là một trong những phƣơng pháp tƣơng đối mới mẻ ở Việt Nam. Sau thời gian nghiên cứu và triển khai, đề tài đã thu đƣợc một số kết quả sau:
1. Đƣa ra đƣợc các cơ sở lý thuyết chung sản xuất Oxy từ không khí và các lý thuyết về hấp phụ.
2. Lựa chọn và xây đựng đƣợc mô hình sản xuất Oxy theo chu trình hấp phụ VSA.
3. Đƣa đƣợc kết quả mô phỏng chế độ làm việc của thiết bị tạo Oxy theo chu trình VSA. Chế độ làm việc của thiết bị đƣợc thiết lập dựa trên các kết quả mô phỏng bằng phần mềm Aspen Adsorption. Kết quả mô phỏng là hoàn toàn phù hợp với lý thuyết đã đƣa ra điều này cho thấy Aspen Adsorption là công cụ đáng tin cậy để mô phỏng và tối ƣu các quá trình và thiết bị hấp phụ.
Hƣớng nghiên tiếp theo của đề tài:
1. Do những hạn chế nhất định nên kết quả tính toán, mô phỏng chỉ mới đƣa ra đƣợc các số liệu, cần phải có mô hình thực nghiệm để kiểm chứng các kết quả này.
2. Tiếp tục chạy thêm nhiều mô phỏng để đánh giá ảnh hƣởng của các thông số và điều kiện làm việc đến chế độ làm việc của thiết bị, từ đó xác lập bộ thông số công nghệ tối ƣu để chuyển từ thiết kế phòng thí nghiệm sang quy mô công nghiệp.
HVTH: Đỗ Phú Khánh Trang 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nguyễn Bin (2008), Các quá trình, thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực
phẩm, Tập 4, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật.
2. Nhiều tác giả (2006), Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất, Tập 2, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật.
3. Vũ Đình Tiến (2015), Giáo trình hấp phụ và trao đổi ion. (Đang biên soạn). 4. R. Agrawal và D.M. Herron (2000), "Air liquefaction: Distillation", Air
Products and Chemicals, p. 1895-1910.
5. Jeong-Geun Jeeet al . (2006), "Comparison of vacuum swing adsorption process for air separation using Zeolite 10X and 13X", Revue Roumaine de
Chimie. 51(11), p. 1095-1108.
6. D.M Ruthven (1984), Principles of Adsorption and Adsorption Process,
Wiley, NewYork.
7. A.R. Smith và J. Klosek (2001), "A review of air separation technologies and their integration with energy conversion processes", Fuel Processing Technology. 70(2), p. 115-134.6
8. Richard S. Toddet al . "Fast Finite-Volume Method for PSA/VSA Cycle SimulationsExperimental Validation", Industrial & Engineering Chemistry Research. 40, p. 3217-3224.
9. Argon, truy cập ngày 20/08/2016, tại trang web
https://vi.wikipedia.org/wiki/Argon.
10. Cho bệnh nhân thở Oxy, truy cập ngày 15/9/2016, tại trang web
http://www.ykhoa.net/baigiang/dieuduong/bai29.htm. 11. Không khí, truy cập ngày, tại trang web
https://vi.wikipedia.org/wiki/Không_khí. 12. Nitơ, truy cập ngày 20/8/2016, tại trang web
HVTH: Đỗ Phú Khánh Trang 86
13. Ôxy, truy cập ngày 19/8/2016, tại trang web
https://vi.wikipedia.org/wiki/Ôxy.
14. Sự thật ít biết về mặt nạ dưỡng khí trên máy bay, truy cập ngày 10/9/2016,
tại trang web https://tinhte.vn/threads/su-that-it-biet-ve-mat-na-duong-khi- tren-may-bay.2456516/.
15. Vacuum Swing Adsorption, truy cập ngày 20/9-2016, tại trang web