TÓM TẮT:
Khí nitơ (N2) thường được dùng như khí trơ để ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như cơ khí, hóa chất, thực phẩm, dược phẩm, quân sự… Ở qui mô lớn, khi nitơ được phân tách từ không khí bằng kỹ thuật hóa lỏng và chưng phân đoạn, còn ở qui mô nhỏ và vừa khí nitơ thường được phân tách bằng sàng phân tử carbon theo chu trình hấp phụ thay đổi áp suất (PSA). Chu trình hấp phụ áp suất thay đổi (PSA) là một kỹ thuật được sử dụng để phân tách một số cấu tử khí từ một hỗn hợp khí dưới điều kiện áp suất theo kích thước phân tử và ái lực của chúng đối với một vật liệu hấp phụ. Trong bài báo này, trình bày việc nghiên cứu mô phỏng một thiết bị tách khí nitơ ở qui mô pilot làm việc theo chu trình PSA đã được chế tạo tại Viện Công nghệ - Tổng cục Công nghiệp quốc phòng. Chu trình làm việc của thiết bị này được mô phỏng trên phần mềm Aspen Adsorption. Các thông số công nghệ thu được sẽ là cơ sở cho việc thiết lập các tham số làm việc ban đầu của thiết bị và làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo.
Từ khóa: Chu trình hấp phụ thay đổi áp suất (PSA), sàng phân tử cacbon, hấp phụ, Nitơ, Aspen Adsorption.
I. Giới thiệu
Hiện nay trên thế giới việc sử dụng phần mềm mô phỏng trong kỹ thuật hóa học đã trở nên phổ biến trên cơ sở các phần mềm chuyên dụng có cơ sở dữ liệu rất lớn và đầy đủ đã giúp cho các nhà khoa học giảm được nhiều thời gian nghiên cứu, khảo sát. Tuy nhiên ở Việt Nam việc áp dụng các phần mềm mô phỏng chưa được phổ biến rộng rãi. Vì vậy việc nghiên cứu, mô phỏng thiết bị tách khí nitơ theo chu trình PSA là rất cần thiết cho việc nghiên cứu, tính toán và tối ưu hóa thiết bị.
Trong bài báo này nội dung trọng tâm giới thiệu về vật liệu sàng phân tử và thiết bị làm việc theo chu trình hấp phụ áp suất thay đổi (PSA) để tách khí N2 từ không khí và nghiên cứu mô phỏng thiết bị tách khí nitơ theo chu trình hấp phụ áp suất thay đổi bằng phần mềm Aspen Adsorption.
Aspen Adsorption là một modul trong gói phần mềm Aspen One do Công ty AspenTech của Mỹ nghiên cứu và phát triển. Hiện nay, công ty đã cho ra đời phiên bản Aspen One 8.8 để phục vụ nghiên cứu trong lĩnh lực kỹ thuật hóa học. Phần mềm là một công cụ mạnh không thể thiếu trong nghiên cứu về kỹ thuật hấp phụ hiện nay.
II. Vật liệu và thiết bị tách khí N2
1. Rây phân tử Cacbon
Sản suất N2 theo chu trình hấp phụ áp suất thay đổi dựa trên đặc tính hấp phụ chọn lọc của sàng phân tử cacbon (Carbon Molecular Sieves - CMS). Về cơ bản nó cũng là một loại than hoạt tính, tuy nhiên miền phân bố kích thước mao quản rất hẹp nên có khả năng hấp phụ chọn lọc theo kích thước phân tử (sàng phân tử). Phần lớn CMS trên thị trường hiện nay được tạo ra từ nguyên liệu than antraxit với một quá trình hoạt hóa có kiểm soát. Cấu trúc mao quản sau đó có thể tiếp tục thay đổi bởi một quá trình xử lý nhiệt tiếp theo, bao gồm việc cracking các hydrocarbon trong hệ vi mao quản và khí hóa thêm một phần trong các điều kiện kiểm soát nghiêm ngặt. Nhờ đó rây phân tử carbon thu được có đường kính mao quản hiệu dụng trong khoảng từ 0,4 đến 0,9 nm, tuy nhiên độ xốp và dung lượng hấp phụ sẽ thấp hơn so với các loại than hoạt tính thông thường[1].
Để phân tách nitơ, thường sử dụng loại CMS có đường kính lỗ mao quản là 4. Vì vậy, khi dòng không khí với áp suất thích hợp đi qua lớp vật liệu CMS thì phân tử O2 với kích thước phân tử là 3,9 x 2,8 sẽ đi vào trong mao quản và bị giữ lại, còn các phân tử N2 với kích thước phân tử là 4,1 x 3,0 sẽ đi qua, như vậy sẽ thu được N2 với nồng độ cao. Đặc tính hấp phụ chọn lọc CMS được minh họa như Hình 1.
Hình 1: Cơ chế hấp phụ chọn lọc của CMS
Hình 2: Sự thay đổi thể tích hấp thụ theo thời gian
Rây phân tử carbon được ký hiệu dựa trên năng suất tạo khí Nitơ. Trong bài báo này sử dụng loại CMS-240, có nghĩa là năng suất lý thuyết thu được là 240 m3 Nitơ ở điều kiện tiêu chuẩn trong 1 giờ trên 1 tấn vật liệu CMS được sử dụng.
Tuổi thọ trung bình được sử dụng để tái sinh của rây phân tử, trong đó, trong trường hợp của nitơ, là một phân tử Sàng Carbon (CMS). Rây phân tử là hoàn toàn hồi phục và có tuổi thọ trên 40.000 giờ để hoạt động.
Loại CMS – 240 này được mua từ Công ty Jiangxi Xintao Technology Co.,Ltd.
2. Thiết bị tạo khí N2
2.1. Sơ đồ PID (Sơ đồ công nghệ và thiết bị đo lường)
Dựa trên cơ sở mô hình thiết bị hấp phụ
áp suất thay đổi (PSA) ta xây dựng sơ đồ công nghệ, thiết bị và thiết bị đo
lường (PID) của hệ thống thiết bị để nghiên cứu, tối ưu hóa việc tách khí N2 từ
không khí bằng vật liệu sàng phân tử CMS-240 đã lựa chọn bao gồm các thiết bị
chính sau[2-4]: Máy nén khí đồng bộ bao gồm: lọc khí
F1, máy nén khí C1, bình tích T01, đồng hồ và bộ điều khiển áp suất đặt; Thiết bị tách nước và tách dầu F2 ; Cột tách ẩm D1; Hai cột hấp phụ B1 và B2; Bình tích lấy sản phẩm T02; Các van điện từ đóng mở: V1, V2, V3ab,
V4, V5, V6ab, V7, V8; Các van một chiều, van tiết lưu; Các cảm biến, đồng hồ đo áp suất: PT,
PI; Các thiết bị đo lưu lượng: FT; Bộ điều khiển PLC S7-300 lập trình trên
WinCC; Máy tính giám sát và điều khiển SCADA,
thu thập số liệu nghiên cứu.
Hình 3: Sơ đồ PID thiết bị tách khí N2
Hình 4: Thiết bị tách khí N2
2.2. Thông số chính của thiết bị
Để có thể xác lập các thông số công nghệ và thông số vận hành cho thiết bị tách khí nitơ, một hệ thống thí nghiệm ở qui mô pilot đã được thiết lập. Hệ thống gồm có: hai cột hấp phụ bằng thép có đường kính D = 108 mm và chiều cao H = 700 mm. Mỗi cột được nhồi 3,1 kg vật liệu hấp phụ CMS-240; một máy nén khí có lưu lượng V = 185/1phút với áp suất làm việc Pmax = 8 bar; một bộ lọc không khí < 5 polyeste m và một cột khử ẩm sử dụng 3 kg vật liệu hút ẩm Silicagel.
III. Mô phỏng chế độ làm việc sử dụng Aspen Adsorption
1. Mô phỏng chế độ làm việc trên Aspen Adsorption
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 được xem là đẳng nhiệt với áp suất tổng trong cột được duy trì là hằng số trong các bước 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 N2 và O2 có sẵn trong cơ sở dữ liệu của Aspen Adsorption;
- Biến thiên áp suất riêng phần chỉ theo chiều dọc cột (bỏ qua biến thiên theo phương hướng kính);
- Hệ số cấp khối được biểu diễn thông qua quan hệ động lực tuyến tính (Linear driving force);
- Tổn thất áp suất dọc theo chiều dài cột có thể bỏ qua;
- Vận tốc dòng khí trong lớp vật liệu hấp phụ được xác định theo cân bằng vật chất và phương trình khí lý tưởng PV = nRT.
Nếu tiến hành ngay các thực nghiệm trên hệ thống, sau đó tiến hành phân tích mẫu khí để để tìm chế độ làm việc phù hợp thì sẽ rất tốn kém thời gian và chi phí phân tích. Trên cơ sở phần mềm Aspen Adsorption, chúng tôi đã tiến hành mô phỏng chế độ làm việc từ đó xác định thời gian cho các bước trong chu trình làm việc của thiết bị tạo khí nitơ. Về cơ bản các bước thiết lập mô hình trong Aspen Adsorption bao gồm:
(1) Nhập các thông số vật lý của các cấu tử trong hệ (trong trường hợp này là không khí, N2 và O2) từ ngân hàng dữ liệu của Aspen Properties;
(2) Trong phần “Gas Dynamic” của thư viện “Libraries” của Aspen Adsorption, chọn các biểu tượng đầu vào (gas feed), van các loại (valves), cột hấp phụ (gas bed), đầu ra (gas product) và các đường nối (connections) để xây dựng sơ hệ thống thiết bị phù hợp với thiết bị thí nghiệm đã chế tạo như Hình 5;
Hình 5: Sơ đồ hệ thống thiết bị tạo khí Nitơ thiết lập trên Aspen Adsorption
(3) 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.
(4) Trong phần công cụ “Tool”, chọn “Cycle Organizer” để thiết lập chu trình làm việc 4 bước như đã mô tả ở phần trên;
(5) 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 để xử lý ra Excel.
2. Kết quả mô phỏng và thảo luận
Lựa chọn mô hình PSA có sẵn trong Demonstration hay có thể thiết lập như hình 5 và coi thời gian cân bằng rất nhanh (thời gian cân bằng không đáng kể) tiến hành nhập các thông số đầu vào F1 như hình dưới với các thông số như thiết bị thực đã xây dựng: Lưu lượng dòng vào: 1,94 e-5 kmol/s; Nhiệt độ dòng vào: 298,15; Áp suất dòng vào: 6,0 bar; Nồng độ phần mol của Nito: 0.79; Nồng độ phần mol của Oxy: 0,21.
Hình 6: Các thông số đầu vào của dòng F1
Đã tiến hành chạy mô phỏng hệ thống tạo khí nitơ bằng phần mềm Aspen Adsorption ở chế độ Dynamic. Mặc dù áp suất làm việc tối đa của máy nén khí là 7,5 bar và áp suất làm việc với vật liệu hấp phụ CMS có thể là 8 bar, tuy nhiên trong điều kiện máy nén khí làm việc liên tục và tổn thất áp suất trong hệ thống và cột silicagen làm khô không khí nên áp suất thực trong mỗi cột đo bằng áp kế chỉ đạt khoảng 5 bar. Vì vậy mô phỏng cũng được tiến hành ở áp suất làm việc của cột là 5 bar. Biến thiên áp suất trong cột 1 và cột 2 được biểu diện trong Hình 7. Sau khoảng chừng 3 chu kỳ làm việc, áp suất làm việc trong từng cột là tương đối ổn định.
Hình 7: Sự thay đổi áp suất trong từng
cột theo thời gian
Theo chu kỳ làm việc 4 bước, khí nitơ sản phẩm được lấy ra gián đoạn. Biến thiên phần mol của khí nitơ sản phẩm được biểu diễn trong Hình 8. Kể từ khi hệ thống bắt đầu làm việc, sau khoảng 8 chu kỳ thì phần mol của khí Nitơ sản phẩm đã dần ổn định và đạt khoảng từ 92 - 95%. Trên cơ sở kết quả mô phỏng, đã cài đặt bộ điều khiển PLC để chạy hệ thống thực nghiệm theo đúng chế độ công nghệ đã mô phỏng. Sau khi hệ thống chạy ổn định khoảng 10 chu kỳ, tiến hành lấy mẫu khí sản phẩm bằng các túi chứa khí chuyên dụng ở đầu, giữa và cuối giai đoạn lấy sản phẩm. Các mẫu khí đã được phân tích thành phần bằng thiết bị sắc ký khí tại Phòng thí nghiệm công nghệ lọc hóa dầu & vật liệu xúc tác - hấp phụ của Đại học Bách khoa Hà Nội. Kết quả cho thấy, phần mol của khí sản phẩm thu được trong suốt giai đoạn lấy sản phẩm của hai cột trong khoảng từ 91 ~ 95%. Kết quả này là khả quan và phù hợp với kết quả đã mô phỏng. Trong thời gian tới, nếu trang bị thiết bị kiểm soát lưu lượng và ổn định áp suất ở đầu vào cũng như thiết bị đo hàm lượng N2 ở đầu ra của hệ thống thiết bị thí nghiệm thì hoàn toàn có thể tối ưu chế độ công nghệ và đưa sản phẩm khí N2 đạt mức 99%.
Hình 8: Biến thiên phần mol của khí Nitơ trong dòng khí sản phẩm
Hình 9: Dải áp suất làm việc
IV. Kết luận
- Đã lựa chọn và giới thiệu cơ chế làm việc của vật liệu hấp phụ sàng phân tử CMS-240 được mua của công ty Jiangxi Xintao Technology Co.,Ltd làm vật liệu hấp phụ trong hệ thống thiết bị làm việc theo chu trình PSA để tách khí N2 từ không khí.
- Đã xây dựng thành công một hệ thống thiết bị tách khí N2 ở qui mô pilot làm việc theo chu trình áp suất thay đổi PSA có mức độ tự động hóa cao và sản phẩm khí N2 thu được đạt đến 95% sau khi khảo sát và thay đổi một số thông số ban đầu.
- Chế độ làm việc của thiết bị được thiết lập dựa trên các kết quả mô phỏng bằng phần mềm Aspen Adsorption.
- Kết quả mô phỏng là hoàn toàn phù hợp với thực tế hoạt động của thiết bị, điều này cho thấy Aspen Adsorption là công cụ đáng tin cậy để mô phỏng và tối ưu các quá trình và thiết bị hấp phụ.
Trong thời gian tới để có thể nâng cao nồng độ N2 sản phẩm đạt mức trên 99%, nhóm tác giả sẽ tiếp tục hoàn thiện thiết bị và trang bị thêm các thiết kiểm soát lưu lượng, áp suất cũng như thiết bị đo và phân tích liên tục. Đồng thời cần tiến hành chạy thêm nhiều mô phỏng để đánh giá ảnh hưởng 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 ưu để chuyển sang thiết kế thiết bị ở qui mô công nghiệp ■
TÀI LIỆU THAM KHẢO:
Danh mục tài liệu tham khảo tiếng Việt
1. PGS. TS. Tạ Ngọc Đôn, “Rây phân tử và vật liệu hấp phụ”, Nhà xuất bản Bách Khoa Hà Nội, 2012.
2. Đinh Trọng Toan, Nguyễn Trọng Khuông, Trương Thị Hợi, Nguyễn Phương Khuê, Hà Thị An, Hà Văn Trương, Nguyễn Bin, Đỗ Văn Đài, Long Thanh Hùng, Phan Văn Thơm, Lê Nguyên Đương, Đinh Văn Huỳnh, Trần Xoa, Phạm Xuân Toản, “Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất - Tập 1”, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 1999.
3. Đinh Trọng Toan, Nguyễn Trọng Khuông, Trương Thị Hợi, Nguyễn Phương Khuê, Hà Thị An, Hà Văn Trương, Nguyễn Bin, Đỗ Văn Đài, Long Thanh Hùng, Phan Văn Thơm, Lê Nguyên Đương, Đinh Văn Huỳnh, Trần Xoa, Phạm Xuân Toản, “Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất - Tập 2”, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 1999.
4. Hồ Hữu Phương, “Cơ sở tính toán thiết bị hóa chất”; Khoa Đại học tại chức Đại học Bách Khoa Hà Nội, 1977.
Danh mục tài liệu tham khảo nước ngoài
5. Douglas M. Ruthven, Shamsuzzaman Farroq, Kent S. Knaebel, “Pressure swing adsorption”, VCH Publishers, Inc, 1994.
6. Jafar Sadeghzadeh Ahari, Saeed Pakseresht; “Determination effects of process variables on nitrogen production PSA system by mathematical modeling”; received May 25, 2007, accepted May 15, 2008.
7. A.R.Smith, J.Klosek; “A review of air separation technologies and their integration with energy conversion processes”, Fuel Processing Technology 70 (2001).
8. Carlos A.Grande; “Advance in Pressure Swing Adsorption for Gas Separation”, International Scholarly Research Network ISRN Chemical Engineering, Volume 2012, Article ID 982934, 13 page (2012).
9. Snehal V.Patel, Dr.J.M.Patel; “Separation of High Purity from Air by Pressure Swing Adsorption on Carbon Molecular Sieve”, International Journal of Engineering Research and Technology, Volume 3, Issue 3, (March 2014).
10. M.Delavar, N.Nabian; “An investigation on the Oxygen and Nitrogen separation from air using carbonaceous adsorbents”, Journal of Engineering Science and Technology, Volume 10, No.11, (2015).
11. D.Roy Chowdhury, S.C.Sarkar; “Application of Pressure Swing Adsorption Cycle in the quest of production of Oxygen and Nitrogen”, International Journal of Engineering Science and Innovative Technology, Volume 5, Issue 2, (March 2016).
SIMULATION OF NITROGEN GAS ADSORPTION
UNDER VARIABLE PRESSURE SWING ADSORPTION CYCLE (PSA)
WITH ASPEN ADSORPTION SOFTWARE
● PHAM VAN CHINH
Institute of Technology - General Department of Defense Industries
● VU DINH TIEN
Hanoi University of Science and Technology
● LE QUANG TUAN
Institute of Materials Chemistry - Military Science and Technology Institute
ABSTRACT:
Nitrogen gas (N2) is often used as inert gas for use in many industrial fields such as mechanics, chemicals, food, pharmaceuticals, military, etc. On a large scale, when nitrogen is separated from the air by liquid and fractionation distillation techniques, and on a small and medium scale, nitrogen gas is usually separated by carbon molecular sieve adsorption cycles (PSA). Pressure Swing Adsorption cycle (PSA) is a technique used to separate some gas constituents from a gas mixture under pressure conditions by molecular size and their affinity for an object adsorption. In this article, a simulation study of a pilot scale nitrogen gas generator based on the PSA cycle has been made at the Institute of Technology - General Administration of Defense Industries. The workflow of this device is simulated on the Aspen Adsorption software. Technological parameters obtained will be the basis for the establishment of the initial working parameters of the equipment and will be the basis for subsequent studies.
Keywords: Pressure swing adsorption cycle (PSA), Carbon Molecular Sieves – CMS, Nitrogen, Adsorption, Aspen Adsorption.
Xem tất cả ấn phẩm Các kết quả nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ số 5 + 6 tháng 4/2018 tại đây