Xây dựng mô hình hệ thống thiết bị PSA, nghiên cứu, tối ưu hóa chu trình hấp phụ với áp suất thay đổi để tách khí nitơ từ không khí

Khí nitơ có có thể xem như là một khí trơ nên nó được sử dụng rộng rãi vào các ngành công nghiệp cơ khí, hóa chất, thực phẩm, dược phẩm và quân sự. Ở quy mô lớn, khí nitơ thường được sản xuất bằng kỹ thuật truyền thống với các quá trình hóa lỏng và chưng phân đoạn không khí.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Xây dựng mô hình hệ thống thiết bị PSA, nghiên cứu, tối ưu hóa chu trình hấp phụ với áp suất thay đổi để tách khí nitơ từ không khí Nghiên cứu khoa học công nghệ XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG THIẾT BỊ PSA, NGHIÊN CỨU, TỐI ƯU HÓA CHU TRÌNH HẤP PHỤ VỚI ÁP SUẤT THAY ĐỔI ĐỂ TÁCH KHÍ NITƠ TỪ KHÔNG KHÍ Phạm Văn Chính1*, Nguyễn Tuấn Hiếu1, Lê Quang Tuấn2, Vũ Đình Tiến3 Tóm tắt: Khí nitơ có có thể xem như là một khí trơ nên nó được sử dụng rộng rãi vào các ngành công nghiệp cơ khí, hóa chất, thực phẩm, dược phẩm và quân sự. Ở qui mô lớn, khí nitơ thường được sản xuất bằng kỹ thuật truyền thống với các quá trình hóa lỏng và chưng phân đoạn không khí. Do tồn chứa và vận chuyển ở áp suất cao, nên sản phẩm thu được theo cách này có nhiều rủi ro trong quá trình sử dụng. Ở các qui mô nhỏ và vừa, khí nitơ thường được phân tách từ không khí ở áp suất thấp bằng việc sử dụng sàng phân tử carbon và chu trình hấp phụ thay đổi áp suất (PSA) hoặc kỹ thuật màng. Ở Việt Nam, nhiều công ty đã nhập khẩu thiết bị tạo khí nitơ sử dụng chu trình PSA do không có các nghiên cứu và thiết kế trong lĩnh vực này. Trong nghiên cứu này, một cái thiết bị tạo khí nitơ theo chu trình PSA ở qui mô pilot đã được nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tại Viện Công nghệ - Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng. Các thông số về chu trình vận hành của thiết bị đã được tối ưu để thu được khí nitơ có độ tinh khiết cao. Từ khóa: Chu trình hấp phụ áp suất thay đổi (PSA); Sàng phân tử cacbon (CMS); Hấp phụ; Nitơ. I. ĐẶT VẤN ĐỀ Trên thế giới đã có nhiều công bố về kỹ thuật phân tách không khí như: kỹ thuật hấp phụ trên cơ sở các vật liệu sàng phân tử: TSA, PSA hoặc VSA. Kỹ thuật PSA được quan tâm nghiên cứu nhiều hơn vì các ưu điểm kinh tế và sự ứng dụng rộng rãi. Tuy nhiên, các công bố về xây dựng mô hình hệ thống các thiết bị để nghiên cứu PSA, đều do các hãng sản xuất thiết bị PSA [5-10]. Hiện nay, trong nước chưa có đơn vị nào quan tâm nghiên cứu kỹ thuật PSA để tách các thành phần của không khí và xây dựng mô hình thiết bị để nghiên cứu [14]. Việc nghiên cứu phương pháp thiết lập một mô hình thiết bị PSA là rất cần thiết trong điều kiện kinh tế hiện nay để khảo sát và tối ưu hóa thiết bị. Nội dung và kết quả nghiên cứu là tiền đề cho phát triển các vấn đề khoa học về mô phỏng và tối ưu hóa hệ thống thiết bị PSA tiến tới xây dựng thiết bị ở quy mô công nghiệp. II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Mô hình thiết bị nghiên cứu được xây dựng nhằm tối ưu hóa chu trình hấp phụ với áp suất thay đổi (PSA) để tách khí N2 từ không khí bằng vật liệu sàng phân tử các bon. Để xây dựng được một mô hình thiết bị hệ nghiên cứu thực nghiệm ta cần tiến hành giải quyết các vấn đề: 2.1. Chọn vật liệu hấp phụ và vật liệu chế tạo thiết bị Vật liệu hấp phụ cho hệ thống thực nghiệm được chọn một loại hấp phụ dùng để tách hơi nước có trong không khí trước khi vào hệ thống, một loại vật liệu hấp phụ dùng để phân tách nitơ và oxy [1]. Silicagel được chọn là vật liệu hút ẩm cho hệ thống vì silicagel có thể hút hơi nước đến 40% khối lượng của nó, dễ tái sinh trong quá trình sử dụng [1]. Vật liệu sàng phân tử được chọn là CMS để phân tách nitơ và oxy [1] với các thông số như bảng 1. Loại CMS – 240 này được mua từ công ty Jiangxi Xintao Technology Co.,Ltd. Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 56, 08 - 2018 157  Hóa học & Kỹ thuật môi trường Bảng 1. Thông số của vật liệu hấp phụ CMS. Đường kính Khối lượng Độ cứng Áp suất hấp Khối lượng Độ Vật liệu hạt[mm] riêng[kg/m3] [N/p min] phụ [Mpa] [kg] xốp CMS-240 1,6-2,2 630-660 100 0,6 10 0,4 Chọn mua vật liệu CMS - 240 tại áp suất hấp phụ 0,8 Mpa sẽ thu được 240 m3/h.t với độ tinh khiết 99,5%, tỷ lệ thu hồi N2/không khí là 44%. Vật liệu được chọn để chế tạo thiết bị bằng thép cacsbon C20, các đường ống bằng nhựa PA, các van điều khiển điện từ bằng đồng thau. 2.2. Thiết kế kiểu dáng công nghiệp và các chi tiết của thiết bị 2.3. Chọn chu trình làm việc của thiết bị, thiết bị đo, bộ điều khiển và các cơ cấu chấp hành của thiết bị 2.4. Tính toán và sử dụng các công cụ mô phỏng để xác định thời gian cho từng bước trong chu trình vận hành 2.5. Tối ưu hóa các thông số công nghệ nhằm đạt chất lượng sản phẩm cao nhất Trên cơ sở lựa chọn vật liệu sàng phân tử; tính toán, thiết kế và chế tạo thiết bị hấp phụ; ứng dụng các kỹ thuật đo lường, điều khiển tự động áp dụng vào xây dựng hệ thống thiết bị ta thu được kết quả như sau. III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Mô hình công nghệ và thiết bị Mô hình công nghệ và thiết bị hấp ...