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 không khí 12 1.2 Các tính chất vật lý không khí đồ thị I – x 13 1.2.1 Độ ẩm tuyệt đối không khí 13 1.2.2 Độ ẩm tương đối không khí 13 1.2.3 Hàm ẩm không khí 14 1.2.4 Nhiệt lượng riêng không khí ẩm 14 1.2.5 Điểm sương 15 1.2.6 Nhiệt độ bầu ướt 15 1.2.7 Thể tích không khí ẩm 15 1.2.8 Khối lượng riêng hỗn hợp không 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 không 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 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 toán 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 toán 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 cô, bạn bè gia đình Luận văn thực hoàn thành Bộ môn 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 môn Quá 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 xin hoàn toàn 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 không khí ẩm áp suất khí 760 mmHg TRANG 18 Hình 1.2 Quá trình làm lạnh sấy khô không khí ẩm 19 Hình 1.3 Tháp chưng cất đôi sản xuất oxy nitơ 25 Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý công 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 thoát 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 Công 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 Công nghệ DSA 58 18 Hình 2.12 Công nghệ PSA tách cấu tử 60 19 Hình 2.13 Chu trình làm việc bước công nghệ PSA 61 20 Hình 3.1 Sơ đồ công 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 dòng nitơ c nồng độ 97 Hình 4.1 Sơ đồ dây chuyền công nghệ tạo khí nitơ PSA phần mềm aspen adsorption 74 77 78 79 83 27 Hình 4.2 Các thông số kỹ thuật dòng 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 thông số kỹ thuật cột hấp phụ 87 31 Hình 4.6 ài đặt thông số kỹ thuật bên cột 87 32 Hình 4.7 Quá trình mô hoàn 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 dòng khí sản phẩm 90 DANH MỤC C C ẢNG TT NỘI DUNG TRANG Bảng 1.1 Thành phần không 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 thông 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 toán 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 hoàn toàn tối ưu chế độ công 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 mô hình h a dựa việc thiết lập mô hình số sử dụng phương pháp số để tìm lời giải với trợ giúp máy vi tính Để mô trình thực tế đòi hỏi: - Mô hình nguyên lí: nguyên lí trình mối liên hệ thông số liên quan - Mô tả toán học: dùng công cụ toán học để mô tả mô hình nguyên lí - Xử lí biểu thức ràng buộc Tất nhiên trình thực tế tập hợp gồm nhiều yếu tố phức tạp mà có mô tả toán 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 đòi hỏi khối lương tính toán lớn mô với trợ giúp máy vi tính tất yếu Trong ngành công nghệ hóa học nói chung công nghệ lọc hóa dầu nói riêng, mô đ ng vai trò vô c ng quan trọng việc thiết kế, phân tích, vận hành tối ưu hoá hệ thống Aspen One gói phần mềm mô trình công nghệ hóa học hãng AspenTech Mỹ phát triển sử dụng rộng rãi nghiên cứu ứng dụng để tối ưu trình sản xuất công nghiệp Aspen sử dụng mô hình toán học để mô trình 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 mô Aspen One Modul Aspen Adsorption ứng dụng để thiết kế, mô tối ưu h a 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 không (VSA) Aspen Adsorption có công cụ mạnh Cyclic Steady State (CSS) cho phép trình hấp phụ có chu kỳ trạng thái ổn định Mô 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 trình tính toán thiết kế hệ thống hấp phụ Trong nghiên cứu này, Aspen Adsorption sử dụng để thiết lập mô hình mô hệ thống thiết bị tạo nitơ chu trình thay đổi áp suất (PSA) 4.2 Các giả thiết Để mô sử dụng mô hình toán 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 thông qua quan hệ động lực tuyến tính (Linear driving force); 78 - Tổn thất áp suất dọc theo chiều dài cột bỏ qua - Vận tốc dòng khí lớp vật liệu hấp phụ xác định theo cân vật chất phương trình khí lý tưởng PV = nRT 4.3 Mô trình làm việc thiết bị tạo nitơ Aspen Adsorption Về bước thiết lập mô hình Aspen Adsorption bao gồm: o Nhập thông số vật lý cấu tử hệ (trong trường hợp không 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 mô 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 công nghệ tạo khí nitơ PSA phần mềm aspen adsorption Tiến hành nhập thông số đầu vào F1 hình 4.2 với: Lưu lượng dòng 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 thông số kỹ thuật dòng 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 [...]... trình hấp phụ thay đổi áp suất nhắm tiết kiệm chi phí và chủ động trong sản xuất Từ thực tế của sự cấp thiết trên, nên nhóm nghiên cứu đã chọn đề tài: Nghiên cứu, mô phỏng chế độ làm việc của thiết bị tạo nitơ bằng nguyên lý hấp phụ 2 Nội dung nghiên cứu đề tài - Nghiên cứu tổng quan về các phương pháp sản suất nitơ - Nghiên cứu tổng quan về cơ sở lý thuyết hấp phụ và ứng dụng - Thiết lập mô hình... suất nitơ - Nghiên cứu tổng quan về cơ sở lý thuyết hấp phụ và ứng dụng - Thiết lập mô hình toán và mô phỏng chế độ làm việc của thiết bị tạo nitơ bằng nguyên lý hấp phụ - hế tạo quy mô pilot thiết bị tạo nitơ bằng nguyên lý hấp phu Đánh giá ảnh hưởng của các tham số mô hình đến quá trình làm việc của thiết bị 11 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NITƠ Trong không khí nitơ chiếm gần 78%, 20% là oxy và gần 2% là các... TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ HẤP PHỤ 2.1 Hấp phụ và ứng dụng của hấp phụ [4], [10] Hấp phụ: Là hiện tượng tăng nồng độ của chất bị hấp phụ lên bề mặt chất hấp phụ Chất đã bị hấp phụ chỉ tồn tại trên bề mặt chất rắn (chất hấp phụ) , không phân bố đều khắp trong toàn bộ thể tích chất hấp phụ nên còn gọi là quá trình phân bố 2 chiều Điều này khác với quá trình hấp thụ: chất bị hấp thụ sau khi được làm giàu phân... thái cân bằng pha giữa vật liệu hấp phụ và cấu tử bị hấp phụ bao quanh nó Trạng thái cân bằng hấp phụ là một khái niệm động, khi ở trạng thái này tốc độ hấp phụ và tốc độ nhả hấp phụ là như nhau hay n i theo cách khác là có bao nhiêu phân tử bị nhả hấp phụ thì sẽ có bấy nhiêu phân tử hấp phụ lên bề mặt để duy trì lượng phân tử đã bị hấp phụ trên bề mặt là không đổi Công suất của vật liệu hấp phụ được... ban đầu thì được nhả hấp phụ để đưa về trạng thái làm việc ban đầu .Việc nhả hấp phụ có thể thực hiện được bằng cách làm nóng cột hấp phụ hoặc giảm áp suất trong cột hấp phụ, những việc trên làm giảm mất trạng thái cân bằng và khả năng giữ các phân tử oxy của Rây phân tử cacbon Phương pháp hấp phụ theo chu trình thay đổi nhiệt độ TSA (Thermal Swing Adsorption) còn phương pháp hấp phụ theo chu trình thay... nhau như quá trình hấp phụ thì giai đoạn nào chậm nhất sẽ quyết định vận tốc chung của quá trình o giai đoạn hấp phụ và nhả hấp phụ vật lý có tốc độ rất nhanh để đạt tới trạng thái cân bằng so với các giai đoạn còn lại nên động học của quá trình hấp phụ thường bị quyết định sự khác nhau về tốc độ khuếch tán của các cấu tử trong giai đoạn vận tải ngoài và vận tải trong 35 Do hấp phụ vật lý là một quá trình... lượng: - Nồng độ C hoặc áp suất riêng phần p của cấu tử đã bị hấp phụ trong pha khí (với C= n/V= p/RT) - Tải lượng hấp phụ q tính theo lượng cấu tử đã bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng (hoặc đơn vị thể tích) của vật liệu hấp phụ - Nhiệt độ của hệ T Tùy theo cách biểu diễn quan hệ toán học giữa các đại lượng này, chúng ta có các quan hệ cân bằng khác nhau: - Quan hệ đẳng nhiệt hấp phụ (adsorption... chất thơm 2.2 Cân bằng hấp phụ [4] Hấp phụ là một quá trình gồm nhiều giai đoạn nối tiếp nhau: - Giai đoạn 1: Phân tử chất bị hấp phụ được vận tải đến lớp biên do dòng đối lưu trong pha liên tục hoặc khuếch tán do sự chênh lệch nồng độ giữa pha liên tục và nồng độ của lớp biên 34 - Giai đoạn 2: Phân tử chất bị hấp phụ khuếch tán qua chiều dày lớp biên - Giai đoạn 3: Phân tử chất bị hấp phụ được vận tải... giảm chất lượng hấp thụ oxy của dòng muối nóng chảy) được nén tới 185 psia và đi vào cột hấp thụ cho đến khi cột hấp phụ đạt được cân bằng, cột hấp thụ sau khi đạt được cân bằng thì được chuyển đi để giải hấp thụ bằng cách giảm nhiệt độ thông qua trao đổi nhiệt với dòng khí nitơ Dòng khí giàu oxy hơn ra khỏi cột hấp thụ được qua thiết bị trao đổi nhiệt với dòng không khí ban đầu Qua thiết bị trao đổi nhiệt,... tới 99,5% 1.4.2 Sử dụng kỹ thuật hấp phụ 25 Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý công nghệ hấp phụ sản xuất khí nitơ oxy Quá trình hấp phụ được dựa trên khả năng của một số vật liệu tự nhiên hay tổng hợp để ưu tiên hấp thụ nitơ hay ưu tiên hấp phụ oxy như zeolite than hoạt tính…Không khí đã được làm sạch nước và CO2 khi đi qua cột hấp phụ có chứa Zeolite, phân tử nitơ có sự hấp phụ mạnh hơn phân tử oxy và Ar, vì