Nghiên cứu mô phỏng, tối ưu hóa thiết bị tách khí ni tơ theo chu trình hấp phụ áp suất thay đổi (PSA) bằng phần mềm Aspen Adsorption

Khí nitơ (N2) có thể xem như một khí trơ để sử dụng trong các lĩnh vực công nghiệp cơ khí, hóa chất, thực phẩm, dược phẩm, quân sự. Ở quy mô lớn, khí nitơ được phân tách từ không khí bằng kỹ thuật hóa lỏng và chưng phân đoạn. Ở quy mô nhỏ và vừa khí nitơ thường được phân tách bằng sàng phân tử carbon và chu trình hấp phụ thay đổi áp suất (PSA) ở áp suất thấp.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu mô phỏng, tối ưu hóa thiết bị tách khí ni tơ theo chu trình hấp phụ áp suất thay đổi (PSA) bằng phần mềm Aspen AdsorptionHóa học & Kỹ thuật môi trườngNGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG, TỐI ƯU HÓA THIẾT BỊ TÁCH KHÍ NI TƠ THEO CHU TRÌNH HẤP PHỤ ÁP SUẤT THAY ĐỔI (PSA) BẰNG PHẦN MỀM ASPEN ADSORPTION Phạm Văn Chính1*, Vũ Đình Tiến2, Lê Quang Tuấn3, Nguyễn Tuấn Hiếu4 Tóm tắt: Khí nitơ (N2) có thể xem như một khí trơ để sử dụng trong các lĩnh vực công nghiệp cơ khí, hóa chất, thực phẩm, dược phẩm, quân sự. Ở qui mô lớn, khí nitơ được phân tách từ không khí bằng kỹ thuật hóa lỏng và chưng phân đoạn. Ở qui mô nhỏ và vừa khí nitơ thường được phân tách bằng sàng phân tử carbon và chu trình hấp phụ thay đổi áp suất (PSA) ở áp suất thấp. Kỹ thuật này cho phép để phân tách một số cấu tử khí từ một hỗn hợp khí dưới điều kiện áp suất theo sự khác nhau về kích thước phân tử và ái lực của chúng đối với một vật liệu hấp phụ thích hợp. Trong nghiên cứu này, một thiết bị tạo khí nitơ theo chu trình PSA ở qui mô pilot đã được thiết kế và chế tạo tại Viện Công nghệ - Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng. Chu trình làm việc của thiết bị này được nghiên cứu, mô phỏng và tối ưu bằng phần mềm Aspen Adsorption. Các thông số công nghệ thu được sẽ được ứng dụng để thiết kế và chế tạo thiết bị tạo khí nitơ ở qui mô công nghiệp.Từ khóa: Chu trình hấp phụ thay đổi áp suất (PSA); Sàng phân tử cacbon; Hấp phụ; Nitơ; Aspen Adsorption. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay trên thế giới việc sử dụng phần mềm mô phỏng trong kỹ thuật hóa học đã trởnên phổ biến trên cơ sở các phần mềm chuyên dụng có cơ sở dữ liệu rất lớn và đầy đủ đãgiúp cho các nhà khoa học giảm được nhiều thời gian nghiên cứu, khảo sát. Tuy nhiên ởViệt Nam việc áp dụng các phần mềm mô phỏng chưa được phổ biến rộng rãi. Vì vậy việcnghiên cứu, mô phỏng thiết bị tách khí nitơ theo chu trình PSA là rất cần thiết cho việcnghiên cứu, tính toán và tối ưu hóa thiết bị. Trong nghiên cứu này nội dung trọng tâm giới thiệu về vật liệu sàng phân tử và thiết bịlàm việc theo chu trình hấp phụ áp suất thay đổi (PSA) để tách khí N2 từ không khí vànghiên cứu mô phỏng, tối ưu hóa thiết bị tách khí nitơ theo chu trình hấp phụ áp suất thayđổi bằng phần mềm Aspen Adsorption. Aspen Adsorption là một modul trong gói phần mềm Aspen One do Công tyAspenTech của Mỹ nghiên cứu và phát triển. Hiện nay, công ty đã cho ra đời phiên bảnAspen One 8.8 để phục vụ nghiên cứu trong lĩnh lực kỹ thuật hóa học. Phần mềm là mộtcông cụ mạnh không thể thiếu trong nghiên cứu về kỹ thuật hấp phụ hiện nay. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu mô phỏng thiết bị tách khí N2 từ không khí đã được chế tạo làm việc theochu trình hấp phụ áp suất thay đổi (PSA) bằng phần mềm Aspen Adsorption. Trên cơ sở thiết bị tách khí N2 đã được chế tạo và vật liệu sàng phân tử đã lựa chọn: - Nghiên cứu cơ chế hấp phụ sàng phân tử. - Thiết lập các thông số của hệ thống làm việc để thực hiện mô phỏng. - Tiến hành mô phỏng thiết bị theo các bước bằng phần mềm Apsen Adsorption. - So sánh, kiểm chứng và biện luận so với kết quả thực nghiệm. Xuất kết quả và kết luận.140 P. V. Chính, …, N. T. Hiếu, “Nghiên cứu mô phỏng, tối ưu hóa … Aspen Adsorption.”Nghiên cứu khoa học công nghệ 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN3.1. Sàng phân tử Cacbon Sản suất N2 theo chu trình hấp phụ áp suất thay đổi dựa trên đặc tính hấp phụ chọn lọccủa sàng phân tử cacbon (Carbon Molecular Sieves - CMS). Về cơ bản nó cũng là một loạithan hoạt tính, tuy nhiên miền phân bố kích thước mao quản rất hẹp nên có khả năng hấpphụ chọn lọc theo kích thước phân tử (sàng phân tử). Phần lớn CMS trên thị trường hiệnnay được tạo ra từ nguyên liệu than antraxit với một quá trình hoạt hóa có kiểm soát. Cấutrúc mao quản sau đó có thể tiếp tục thay đổi bởi một quá trình xử lý nhiệt tiếp theo, baogồm việc cracking các hydrocarbon trong hệ vi mao quản và khí hóa thêm một phần trongcác điều kiện kiểm soát nghiêm ngặt. Nhờ đó, rây phân tử carbon thu được có đường kínhmao quản hiệu dụng trong khoảng từ 0,4 nm đến 0,9 nm, tuy nhiên, độ xốp và dung lượnghấp 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 4Å. Vì vậy,khi dòng không khí với áp suất thích hợp đi qua lớp vật liệu CMS thì phân tử O2 với kíchthước phân tử là 3,9 x 2,8 Å sẽ đi vào trong mao quản và bị giữ lại, còn các phân tử N2với kích thước phân tử là 4,1 x 3,0 Å 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 phụ theo thời gian.Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019 141 ...