Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu mô phỏng và tối ưu hóa thiết bị tạo khí nitơ sử dụng chu trình hấp phụ thay đổi áp suất

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài nhằm nghiên cứu quy luật hấp phụ và nhả hấp phụ của O2 trên bề mặt vật liệu hấp phụ sàng phân tử cacbon trong cột của thiết bị tạo khí N2 sử dụng chu trình hấp phụ thay đổi áp suất bằng mô hình toán và mô phỏng trên các phần mềm.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu mô phỏng và tối ưu hóa thiết bị tạo khí nitơ sử dụng chu trình hấp phụ thay đổi áp suất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ PHẠM VĂN CHÍNH NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ TỐI ƯU HÓA THIẾT BỊ TẠO KHÍ NI TƠ SỬ DỤNG CHU TRÌNH HẤP PHỤ THAY ĐỔI ÁP SUẤT Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học Mã số: 9 52 03 01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2021
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ-BỘ QUỐC PHÒNG Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS Vũ Đình Tiến 2. TS Lê Quang Tuấn Phản biện 1: GS.TS Lê Quốc Hùng Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Phản biện 2: PGS.TS Trần Văn Chung Viện Khoa học và Công nghệ quân sự Phản biện 3: TS Nguyễn Vân Anh Đại học Bách khoa Hà nội Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án cấp Viện họp tại: Viện Khoa học và Công nghệ quân sự Vào hồi: …..giờ ….. phút, ngày … tháng … năm 2021. Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự - Thư viện Quốc gia Việt Nam.
1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài luận án: ngày nay, nghiên cứu mô phỏng và tối ưu hóa các quá trình công nghệ, thiết bị đã trở thành một xu thế tất yếu trên thế giới, phương pháp nghiên cứu này đã được sử dụng hiệu quả để triển khai các quá trình và thiết bị công nghệ hóa học ra quy mô công nghiệp. Trước kia, kỹ thuật hấp phụ là một kỹ thuật chỉ biết đến như một kỹ thuật xử lý môi trường để thu hồi các dung môi ít có giá trị. Ngày nay, hấp phụ trở thành một kỹ thuật mới, trọng điểm trong phân tách các chất, kỹ thuật này dựa vào đặc tính hấp phụ chọn lọc theo kích thước phân tử của vật liệu hấp phụ sàng phân tử và các chu trình hấp phụ để tách các cấu tử ra khỏi hỗn hợp. Trong đó, thiết bị tạo khí N2 sử dụng chu trình hấp phụ thay đổi áp suất (PSA) là một thiết bị phân tách điển hình sử dụng vật liệu hấp phụ sàng phân tử cacbon để phân tách N2 từ không khí. Trên thực tế công nghiệp sản xuất và bảo quản vũ khí, thuốc nổ và lương thực, thực phẩm đang có nhu cầu sử dụng các máy tạo khí N2 có quy mô năng suất vừa và nhỏ mà không cần phải mua N2 dạng lỏng áp suất cao. Hiện tại, các máy này đang phải nhập khẩu từ nước ngoài với giá thành khá cao. Nghiên cứu mô phỏng và tối ưu hóa thiết bị này là rất cần thiết để khám phá quy luật làm việc và chuyển quy mô công nghiệp để chủ động chế tạo thiết bị này trong nước. Trên thế giới, đã có nhiều kết quả nghiên cứu đã được công bố liên quan đến luận án ở các khía cạnh khác nhau. Đã có một số mô hình toán mô tả hoạt động của thiết bị được công bố như: mô hình toán theo nồng độ, khối lượng riêng, nhiệt độ và nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng của nhiệt độ đến năng suất và độ tinh khiết của sản phẩm. Nhưng chưa tập trung nghiên cứu vào mô phỏng, tối ưu hóa thiết bị và chuyển quy mô công nghiệp một cách hoàn chỉnh. Mục tiêu của luận án: Nghiên cứu quy luật hấp phụ và nhả hấp phụ của O2 trên bề mặt vật liệu hấp phụ sàng phân tử cacbon trong cột của thiết bị tạo khí N2 sử dụng chu trình hấp phụ thay đổi áp suất bằng mô hình toán và mô phỏng trên các phần mềm. Trên cơ sở mô phỏng có thể xác định được các tham số công nghệ tối ưu của thiết bị để đạt được năng suất sản phẩm cao nhất (Fp,max) với độ tinh khiết đảm bảo theo yêu cầu sử dụng ổn định (hàm lượng N2 có thể đạt ≥ 99,5 % N2 duy trì ổn định). Đồng thời nghiên cứu quy luật thay đổi các tham số công nghệ như áp suất, lưu lượng, nồng độ và các yếu tố ảnh hưởng đến năng suất và độ tinh khiết của sản phẩm và nghiên cứu chuyển quy mô công nghiệp bằng tính toán và mô phỏng.
2 Nội dung nghiên cứu: nghiên cứu các tính chất đặc trưng của vật liệu hấp phụ sàng phân tử cacbon; nghiên cứu, tính toán thiết kế, xây dựng hệ thống thực nghiệm thiết bị tạo khí N2 có thể điều khiển được; nghiên cứu tính toán, đo đạc và phân tích trở lực của lớp hạt trong quá trình hấp phụ và nhả hấp phụ; thiết lập mô hình toán học mô tả quá trình làm việc của cột hấp thụ theo áp suất riêng phần của O2; xác định tốc độ, hệ số khuếch tán và các tham số của mô hình; nghiên cứu mô phỏng và tối ưu hóa thiết bị tạo khí N2 sử dụng chu trình hấp phụ thay đổi áp suất bằng phần mềm Matlab, Presto và Aspen Adsorption; nghiên cứu khảo sát thực nghiệm các yếu tố ảnh hưởng và tối ưu hóa một cột; nghiên cứu chuyển quy mô công nghiệp cho một số ứng dụng bằng tính toán và mô phỏng; xây dựng hoàn chỉnh phương pháp nghiên cứu mô phỏng và tối ưu hóa cho các thiết bị phân tách khí sử dụng chu trình hấp phụ thay đổi áp suất (PSA). Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: kết quả của luận án có ý nghĩa về khoa học và thực tiễn là có thể mở ra hướng nghiên cứu mô phỏng và tối ưu hóa các thiết bị phân tách sử dụng kỹ thuật hấp phụ ở Việt Nam. Kết quả đạt được của luận án sẽ đóng góp thiết thực cho sự phát triển của ngành kỹ thuật hóa học nói chung, chuyên ngành quá trình và thiết bị công nghệ hóa học nói riêng để chủ động triển khai các quá trình công nghệ hóa học từ phòng thí nghiệm ra quy mô công nghiệp một cách khoa học và hiệu quả. Kết quả của luận án có ý nghĩa về thực tiễn cao là có thể giải quyết một số bài toán đặt ra, để chủ động sản xuất khí N2 trong sản xuất, bảo quản các loại vũ khí, thuốc nổ và thực phẩm, lúa gạo một cách chủ động và đảm bảo an toàn cho những nơi không có điều kiện thuận lợi sử dụng N2 hóa lỏng như vùng cao, vùng xa, biên giới và hải đảo. Bố cục của luận án: - Mở đầu: tính cấp thiết, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án. - Chương I: Tổng quan, trình bày về các vấn đề liên quan đến luận án. - Chương II: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu, trình bày các vấn đề vật tư và các trang thiết bị nghiên cứu. - Chương III: Kết quả và thảo luận, trình bày toàn bộ các kết quả theo nội dung nghiên cứu. - Kết luận, trình bày tính mới và các kết quả đã đạt được của luận án. - Danh mục các công trình khoa học đã công bố: 10 bài (01 đạt chuẩn ISI, 01 bài hội thảo quốc tế CASEAN-6 và 08 trên các tạp chí trong nước); Tài liệu tham khảo: 114 tài liệu (33 tài liệu tiếng Việt và 81 tài liệu tiếng Anh).
3 NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN Chương 1. TỔNG QUAN Tổng quan về không khí và các kỹ thuật phân tách không khí; các kỹ thuật phân tách các chất sử dụng các loại vật liệu hấp phụ sàng phân tử và các chu trình hấp phụ (PSA, TSA, VSA); chu trình hấp phụ thay đổi áp suất (PSA); vật liệu hấp phụ sàng phân tử và sàng phân tử cacbon; cơ sở lý thuyết về hấp phụ theo thuyết va chạm, cơ chế khuếch tán và quá trình truyền khối; các mô hình toán và trở lực của lớp hạt qua cột hấp phụ; vấn đề mô phỏng và tối ưu hóa; mục tiêu nghiên cứu mô phỏng và tối ưu hóa thiết bị tạo khí N2 sử dụng chu trình hấp phụ thay đổi áp suất; tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới và định hướng nghiên cứu; mục tiêu và nội dung của luận án. Chương 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu: quy luật hấp phụ và nhả hấp phụ của khí O2 trên bề mặt vật liệu hấp phụ sàng phân tử carbon (CMS) trong cột hấp phụ của thiết bị tạo khí N2 sử dụng chu trình hấp phụ thay đổi áp suất; Phạm vi nghiên cứu: ở nhiệt độ môi trường, áp suất từ 0 đến 8 bar và độ tinh khiết của sản phẩm khí N2 ≥ 99,5 % ổn định. 2.2 Vật tư, hóa chất, dụng cụ và thiết bị nghiên cứu 2.2.1 Vật liệu hấp phụ sàng phân tử cacbon CMS-240: 2.2.2 Các thiết bị, dụng cụ phục vụ nghiên cứu vật liệu hấp phụ 2.2.2.1 Máy phân tích phân bố kích thước hạt bằng sàng (Screen: Viện Địa chất và Địa lý biển – Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ VN). 2.2.2.2 Thiết bị phân tích nhiệt quét vi sai DSC 204F1 NETZSCH – Đức (Viện kỹ thuật nhiệt đới – Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ VN). 2.2.2.3 Thiết bị phân tích nhiệt trọng lượng TGA209F1 NETZSCH-Đức (Viện kỹ thuật nhiệt đới – Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ VN). 2.2.2.4 Máy phân tích nhiễu xạ tia X- EDS (Energy dispersive X-ray Analyzer): Model JED-2300 Analysis Station – Nhật Bản (Viện Hóa học Vật liệu – Viện Khoa học và Công nghệ quân sự). 2.2.2.5 Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS: Atomic Absorption Spectrometer) (Viện Hóa học Vật liệu – Viện Khoa học và Công nghệ quân sự).
4 2.2.2.6 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) SM-6510LV Jeol – Nhật Bản (Viện kỹ thuật nhiệt đới – Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ VN). 2.2.2.7 Kính hiển vi điện tử quét độ phân giải cao (FE-SEM, S4800- Hitachi) tích hợp bộ phân tích phổ tán xạ năng lượng tia X (Emax- Horiba) (Viện Vệ sinh Dịch Tễ Trung ương). 2.2.2.8 Thiết bị phân tích bề mặt và lỗ xốp Trista II 3020 Micromeritics – Mỹ (Viện kỹ thuật nhiệt đới – Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ VN). 2.2.2.9 Tủ sấy Memmert UN55-Đức (Viện Công nghệ – Tổng cục CNQP). 2.2.3.10 Các thiết bị dụng cụ phân tích khác-VN (Viện Công nghệ – Tổng cục công nghiệp quốc phòng); Pycnometer 500 ml; Bình định lượng thể tích 100 ml; Cân điện tử (0-1.000) g; độ chính xác 0,001 g; Thước kẹp pame (0-250) mm, độ chính xác 0,001 mm; Kính hiển vi quang học. 2.3 Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp tiếp cận và thu thập thông tin khoa học, tiếp cận tài liệu, lịch sử về các vấn đề khoa học liên quan đến luận án theo logic: cơ sở lý thuyết chuyên sâu về kỹ thuật phân tách không khí, các kết quả nghiên cứu đã công bố; sử dụng các phương pháp phân tích hiện đại như SEM, FESEM, EDX, TG-DSC để nghiên cứu các đặc trưng của vật liệu hấp phụ sàng phân tử cacbon; sử dụng phương pháp tính toán, thiết kế để xây dựng hệ thống thực nghiệm điều khiển được để nghiên cứu khảo sát, giám sát, theo dõi các tham số công nghệ như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng và nồng độ theo thời gian thực; tính toán, phân tích trở lực qua lớp hạt bằng công thức Eurgun và đo đạc; thiết lập mô hình toán mô tả quá trình làm việc của cột theo định luật bảo toàn dòng, ràng buộc các điều kiện đầu và điều kiện biên theo chu kỳ làm việc của thiết bị, các giả thiết; tính toán các tham số động học và thu thập các tham số nhiệt động của mô hình; sử dụng thuật toán Euler lùi ẩn và các phần mềm Matlab, Presto và Aspen Adsorption để mô phỏng và tối ưu hóa thiết bị; nghiên cứu chuyển quy mô công nghiệp bằng tính toán và mô phỏng; khảo sát thực nghiệm và kiểm chứng sự phù hợp của mô hình và kết quả mô phỏng. Phương pháp xử lý thông tin: tổng hợp, phân tích và nhận xét các kết quả phân tích tính toán và mô phỏng, kiểm chứng các kết quả mô phỏng bằng các kết quả đo thực nghiệm; các kết quả phân tích đo đạc được xử lý thông tin bằng bảng biểu, đồ thị 2D, 3D để quan sát quy luật thay đổi của các tham số công nghệ và lựa chọn các thông số công nghệ để đạt được mục tiêu tối ưu hóa của thiết bị.
5 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết quả nghiên cứu đánh giá về vật liệu hấp phụ CMS-240 3.1.1 Các chỉ tiêu kỹ thuật chung Bảng 3.1 Kết quả đo độ ẩm và khối lượng riêng Kết quả phân tích Kết quả T Ký Đơn vị Tên chỉ tiêu của nhà cung cấp, phân tích T hiệu tính tra tài liệu kiểm tra 1 Độ ẩm d % - 4,9 Khối lượng 2 ρb g/cm3 0,680 0,676 riêng đống Khối lượng 3 ρp g/cm3 - 0,78 riêng hạt Khối lượng 4 ρs g/cm3 2,5 2,174 riêng thực (rắn) Bảng 3.1 kết quả phân tích xác định độ ẩm và khối lượng riêng đống, khối lượng riêng hạt và khối lượng riêng thực của vật liệu CMS-240, các số liệu này được sử dụng để tính toán xác định độ xốp trong, độ xốp ngoài và độ xốp tổng của cột hấp phụ. Hình 3.1 Kết quả phân tích phân bố cỡ hạt (bằng sàng ghi tiêu chuẩn tại Viện Địa chất - Viện Hàn lâm KH và CN Việt Nam).
6 Hình 3.1, kết quả phân tích phân bố cỡ hạt, cho thấy kích thước hạt chính là kích thước từ 1 đến 1,4 mm chiếm: 70 %; kích thước từ 0,7 đến 1 mm chiếm: 28 %; kích thước từ 0,5 đến 0,7 mm chiếm: 1,48 %; còn lại kích thước nhỏ hơn 0,5 mm chiếm: 0,52 %. Các cỡ hạt nhỏ dưới 0,7 mm cần được loại bỏ không đem nhồi vào cột vì ảnh hưởng đến trở lực, độ xốp và độ đồng đều của cột. Các kết quả này được sử dụng để tính toán và phân tích trở lực qua lớp hạt trong quá trình hấp phụ và nhả hấp phụ, xây dựng hệ thống thực nghiệm. 3.1.2 Phân tích nhiệt DSC và TG Hình 3.2 Đồ thị DSC và TG của mẫu CMS-240 Hình 3.2, kết quả phân tích nhiệt DSC và TG của vật liệu CMS-240 khối lượng mẫu ban đầu 23,3 mg, nhìn đồ thị TG cho thấy có sự giảm khối lượng bắt đầu khoảng 70oC – 110oC với khối lượng giảm 5,164 % trong đó quá trình giảm khối lượng đạt cực đại tại nhiệt độ 93,86oC ứng với “peak” thu nhiệt trên đường vi phân. Dự đoán đây có thể là quá trình bay hơi hơi nước có trong vật liệu, có thể kết luận đây là độ ẩm chính xác của vật liệu (lớn hơn kết quả phân tích độ ẩm ở trên một chút vì quá trình thoát ẩm triệt để). Tiếp tục tăng nhiệt độ tới 532,85 oC bắt đầu xảy ra sự giảm khối lượng ứng với “peak” toả nhiệt trên đường vi phân. Dự đoán đây có thể là quá trình bắt đầu xảy ra hiện tượng đốt cháy cacbon. Tiếp tục tăng nhiệt độ cho thấy quá trình cháy xảy ra mạnh ở nhiệt độ 669,78oC ứng với “peak” toả nhiệt trên đường vi phân và khối lượng giảm mạnh khi tăng nhiệt tới khoảng 850oC tương ứng với lượng giảm là 49,375 %. Cho thấy mẫu CMS-240 không cháy hoàn toàn, vì phân tích nhiệt trong điều kiện này C không cháy hoàn toàn được, bao giờ cũng còn hàm lượng cacbon không
7 cháy (do oxy hoá) còn lại, dự đoán thành phần chính của vật liệu CMS-240 chủ yếu là C. Kết quả này cho biết tính chất nhiệt của vật liệu. 3.1.3 Phân tích thành phần và cấu trúc của vật liệu + Kết quả phân tích cấu trúc của hạt vật liệu: a) b) Hình 3.3 Ảnh chụp cắt lớp và ảnh SEM 1x10 của hạt CMS-240 Hình 3.3a và Hình 3.3b, kết quả chụp mẫu hạt tròn hình trụ đường kính ≈1,2mm đã được cắt dọc cho thấy kết cấu hạt vật liệu bao gồm 2 lớp vật liệu rõ rệt vỏ màu đen xẫm và lõi màu xám. Lớp ngoài màu đen đậm có độ dày trong khoảng 10 đến 50µm thành phần của chúng có thể khác nhau do sự khác nhau do nhiệt trong quá trình hoạt hóa bề mặt và bên trong vật liệu hoặc trong quá trình tẩm phủ hình thành vật liệu. Cần phải xác định chính xác thành phần C để khẳng định bản chất và phương pháp chế tạo. a) b) Hình 3.6 Ảnh FE-SEM 1x200K bên trong của hạt CMS-240 Các ảnh FE-SEM Hình 3.6 a, b cho ta thấy rõ các cấu trúc từ mao quản lớn từ 3 đến 5 µm; mao quản trung bình từ 1 đến 3 µm và giữa các phiến có các khe hẹp như những vi mao quản rất nhỏ và đồng đều, đây là đặc trưng rất quan trọng của vật liệu sàng phân tử nói chung. Điều đó
8 chứng tỏ vật liệu được hoạt hóa ở tốc độ cao trong điều kiện rất nghiêm ngặt. Do hạn chế của các máy đo nên không quan sát được cấu trúc của vi mao quản và xác định được kích thước của nó, nhưng có thể đánh giá cấu trúc này qua hiệu suất hấp phụ O2 và N2. + Kết quả phân tích thành phần: Thành phần lớp ngoài: 4000 010 3600 C 3200 2800 2400 Counts 2000 1600 1200 O 800 400 0 0.00 0.80 1.60 2.40 3.20 4.00 4.80 5.60 6.40 7.20 keV Hình 3.7 Vị trí dò lớp bên ngoài Hình 3.8 Phổ nhiễu xạ tia X của của hạt vật liệu đầu dò EDS-JED 2300 Thành phần lớp trong: Hình 3.9 Vị trí dò lớp bên trong Hình 3.10 Phổ nhiễu xạ tia X của của hạt vật liệu đầu dò EDS–JED 2300 Hình 3.7 đến Hình 3.10, cho thấy thành phần C lớp ngoài thấp hơn lớp trong (96,95 % < 98,11 %). Điều đó có thể do quá trình hoạt hóa trong chế tạo vật liệu C lớp ngoài bị oxy hóa nhiều hơn lớp trong cho nên hàm lượng C bị giảm. 3.1.4 Tính toán bề mặt riêng Do không đo được bề mặt riêng và phân bố kích thước mao quản bằng phương pháp BET tại Việt Nam, nên phải xác định bằng phương pháp tính toán gần đúng theo năng suất và thời gian hấp phụ tối đa trên cột: + Số mol O2 bị hấp phụ là:
9 nO2 =nkk − nN2 (sp) − nN2 ( rua ) =(2,4 − 1,056 − 0,86).10−5 =0,484.10−5 [kmol / s] (3-8) Thời gian khí O2 điền đầy trong các mao quản trong của cột; mà lượng O2 bị hấp phụ VO2 = 20 %.Vkk. Khi đó ta lấy sản phẩm còn lại không bị hấp phụ là khí N2 tinh khiết. Vp 0, 002134.60 =tsp = = 9,8 [ s ] (3-9) 20%.Vkk 0, 2.3,9.10−3 Theo kết quả tính toán lượng khí O2 được hấp phụ tối đa trong cột chứa 3,5 kg vật liệu CMS-240 là 0,484.10-5 kmol/s ở áp suất 8 bar, thời gian hấp phụ là 9,8 s. Vì vậy, bề mặt riêng được xác định bằng tính toán. Sr = nm.N.Sm = 0,484.10-5.9,8.103.6.1023.14,1.10-20/3,5 = (3-10) 1146 m2/g. Kết quả trên hoàn toàn tin cậy vì thông thường bề mặt riêng của vật liệu này thông thường là 1200 m2/g. Giá trị tính toán thấp hơn do ta chưa tính đến diện tích của các mao quản lớn và mao quản trung bình xấp xỉ 4,53 m2/g. 3.2 Kết quả xây dựng hệ thống thực nghiệm Kết quả thiết lập sơ đồ P&ID của thiết bị tạo khí N2 sự dụng chu trình PSA: Hình 3.11 Mô hình thiết bị 1 cột Hình 3.12 Mô hình thiết bị 2 cột Từ sơ đồ P&ID trên Hình 3.11 và Hình 3.12 ta xây dựng được hệ thống thực nghiệm bằng cách tính toán, thiết kế thiết bị và lắp đặt hệ
10 thống điều khiển. Hình 3.13, một thiết bị tạo khí N2 ở qui mô pilot được chế tạo và lắp đặt để nghiên cứu quy luật làm việc của cột và thiết bị; nghiên cứu và tối ưu hóa thực nghiệm, kiểm chứng các kết quả nghiên cứu mô phỏng và nâng quy mô. Hình 3.13 Hệ thống thiết bị thực nghiệm 3.3 Tính toán, phân tích trở lực qua lớp hạt Tổn thất áp suất qua cột hấp phụ bao gồm = tổn thất áp suất qua lớp hạt cố định + tổn thất áp suất do quá trình hấp phụ và nhả hấp phụ, phụ thuộc và kích thước hạt, hình dạng hạt, tốc độ dòng khí qua lớp hạt, độ xốp và lực hút do vi mao quản của vật liệu xốp tạo ra trong quá trình hấp phụ và nhả hấp phụ. Đồng thời nó thay đổi theo các giai đoạn của chu trình hấp phụ thay đổi áp suất. Hình 3.18 Kết quả lý thuyết và thực nghiệm trở lực qua lớp hạt phụ thuộc vào tốc độ trong quá trình hấp phụ và nhả hấp phụ.
11 Tổng tổn thất áp suất qua cột hấp phụ (3-56): 2.H CMS ρν . 2 150.µ (1 − ε t )2 1,75.(1 − ε t ) ρ g 2  ∆PT ( hp ) λh = . ta + ν hp + ν hp  .H  (d p ψ ) ε t ε t3 (d p ψ ) 2 3 do 2  Hình 3.18, cho thấy kết quả tính toán trở lực qua lớp hạt phụ thuộc tuyến tính vào tốc độ qua lớp hạt. Nhưng thực nghiệm đo áp suất theo chiều cao của cột trong một quá trình như hấp phụ cho thấy tổn thất áp suất không phụ thuộc tuyến tính vào tốc độ mà nó là đường cong khi quá trình hấp phụ và nhả hấp phụ xảy ra, giá trị của nó khác với giá trị tính toán. 3.4 Kết quả thiết lập mô hình toán mô tả cột hấp phụ Bảng 3. 4 – So sánh mô hình toán mô tả quá trình hấp phụ và nhả hấp phụ trong pha khí và pha rắn tương ứng Mô hình toán mô tả quá trình hấp Mô hình toán mô tả quá trình phụ (từ pha khí) nhả hấp phụ (từ pha rắn) (2-39) (2-43) ∂pi  1 − ε  ∂pi ∂ 2 pi ∂pdes  1 − ε  ∂pdes ∂ 2 pdes 1 + K=−uc . + DL . 2 1 + K  =−uapdes . − Ddes . 2 ∂t  ε  ∂z ∂z ∂t  ε  ∂z ∂z + Điều kiện đầu z = 0, t = 0 pi ( z ,= ) 0 áp suất tại chu t 0= kỳ đầu tiên; áp suất ban đầu tại 0 pdes ( z,=t 0=) 0 các chu kỳ tiếp theo pi ≠ 0 + Điều kiện biên tại: z = 0  d DL ∂pi  pi + ;0 ≤ t ≤ t c  d Ddes ∂pdes  uc ∂z  pdes − ;0 ≤ t ≤ t c ( )  ( z 0,=t )  udes ∂z z=0,t z = 0,t pi= z = 0, t pdes=  DL ∂pi ;t ≥ tc  c  u ∂z  pdes ; t ≥ tc  c z = 0,t ∂pi ∂pdes + Điều kiện biên tại: z = L: =0 và =0 ∂t z=L ∂t z=L
12 Mô hình toán mô tả quá trình hấp phụ (2-39) và nhả hấp phụ (2- 43) bản chất là một phương trình vi phân riêng phần biểu diễn sự thay đổi áp suất riêng phần của O2 theo thời gian và theo chiều cao của cột, nhưng khác nhau về dấu của thành phần khuếch tán từ pha khí và pha rắn, điều kiện đầu, điều kiện biên. Các phương trình này thể hiện các tính chất của vật liệu như hằng số hấp phụ K, đặc tính cấu tạo của cột như độ xốp ε, các đặc tính về chế độ chảy qua cột như tốc độ v và quá trình vận tải giữa pha khí – pha rắn là hệ số khuếch tán dọc trục DL. Sự thay đổi áp suất riêng phần của O2 phụ thuộc vào thời gian và chiều cao của cột; tốc độ và hệ số khuếch tán được coi là không đổi ở từng tiết diện cột. Nếu không có tác động thì mô hình (2-43) diễn biến chậm hơn rất nhiều mô hình (2-39) do tốc độ dòng khí nhả hấp phụ thấp và giảm dần theo thời gian. Hai mô hình toán này được sử dụng để mô phỏng quá trình hấp phụ và nhả hấp phụ khi coi hệ số khuếch tán theo hướng kính là không đáng kể. Nếu thiết bị phân tách có năng suất lớn cần phải tính đến hệ số khuếch tán hướng kính, phụ thuộc vào vận tốc hướng kính, hệ số khuếch tán tổng là đại lượng vector tổng hợp của hai phương dọc trục và hướng kính. 3.5 Tính toán tốc độ và hệ số khuếch tán Vận tốc dòng khí qua cột hấp phụ xốp xác định theo: Vkk uc = [m/s] (3-57) π D2 εi 4 Hệ số khuếch tán phân tử xác định theo (DAB) : 1/2  1 1  T 3/2 +  DAB = 0, 00158  MA MB  (3-58) P.σ AB 2 Ω AB Hệ số khuếch tán màng (Dk): 2 8 RT T =Dk = R p 9700 RP (cm2/s) (3-59) 3 πM M
13 Hệ số khuếch tán dọc trục DL xác định theo: 1 1 1 = + (3-60) DL DAB Dk Kết quả xác định hệ số khuếch tán có quan hệ tuyến tính với tốc độ, do vậy ta có thể mô phỏng quá trình hấp phụ và nhả hấp phụ ở bất cứ tốc độ nào, Hình 3.19. Từ kết quả phân tích và tính toán ε, K, uc và DL cho quá trình hấp phụ và nhả hấp phụ, từ đây hoàn toàn có thể mô phỏng một cột trong một chu trình thay đổi áp suất (quá trình hấp phụ và nhả hấp phụ) bằng thuật toán OLE lùi ần và ngôn ngữ lập trình Matlab, Presto được cài đặt trên máy tính để giải các phương trình vi phân riêng phần (2-39) và (2-43). Việc nghiên cứu mô phỏng quy luật làm việc của cột hấp phụ theo áp suất riêng phần của O2 ở các tốc độ khác nhau để tìm điều kiện làm việc tối ưu của cột, để thời gian nhả hấp phụ = thời gian hấp phụ phải sử dụng tác nhân tái sinh cột. 9 8 y=31.675x+0.0492 2 R =1 7 /s) 6 2 (cm 5 6 .10 4 L D 3 2 1 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 u (m/s) c Hình 3. 19 Mối quan hệ giữa tốc độ dòng khí uc và hệ số khuếch tán dọc trục DL
14 3.6 Tổng hợp các tham số của cột và của mô hình Bảng 3.6 Tổng hợp kết quả tính toán các thông số của mô hình thiết bị tạo khí N2 Đơn vị TT Thông số Số lượng tính I Vật liệu hấp phụ CMS-240 1 Dạng - Hình trụ 2 Bán kính hạt, Rp cm 0,12 3 Khối lượng riêng đống, ρb g/cm 3 0,676 4 Khối lượng riêng hạt, ρp g/cm3 0,780 Khối lượng riêng thực (khối 5 g/cm3 2,174 lượng riêng rắn), ρs 6 Độ xốp ngoài, εi - 0,1326 7 Độ xốp trong, εp - 0,556 8 Độ xốp tổng, εt - 0,615 9 Độ tinh khiết % 98 Nhiệt dung riêng của CMS-240, 10 cal/g.K 0,27 Cps 11 Nhiệt độ sấy o C 70-110 2 12 Bề mặt riêng, Sr m /g 1146 II Cột hấp phụ 2 cột B1,B2 1 Khối lượng CMS-240/cột kg 3,5 2 Chiều cao của cột CMS, H cm 62,9 3 Chiều cao tổng của cột, HT cm 83,4 2 Bán kính trong của cột, RB,i cm 5,1 3 Bán kính ngoài của cột, RBo cm 5,7
15 Nhiệt dung riêng của vật liệu 4 cal/g.K 0,12 làm cột (thép), Cpw Khối lượng riêng của vật liệu 5 g/cm3 7,83 làm cột (thép), ρw 6 Hệ số truyền nhiệt bên trong, hi cal/cm2.K.s 9,2x10-4 7 Hệ số truyền nhiệt bên ngoài, ho cal/cm2.K.s 3,4x10-4 8 Hằng số cân bằng đối với O2, KA 9,25 9 Hằng số cân bằng đối với N2, KB 8,9 Tải lượng cân bằng đối với O2, 10 mol/cm3 2,64.10-3 qAS Tải lượng cân bằng đối với N2, 11 mol/cm3 2,64.10-3 qBS 12 Hằng số LDF đối với O2, kA s-1 44,71.10-3 13 Hằng số LDF đối với N2, kB s-1 7,62.10-3 14 Hệ số khuếch tán dọc trục, DL cm2/s 8,5-1,92.10-6 L/ph II Năng suất cột 10-14 ĐKTC 1 Áp suất làm việc bar 1 đến 8 2 Áp suất xả bar 1 3 Nhiệt độ làm việc K 298 Số mol không khí cấp vào thiết 4 kmol/s 24,4.10-6 bị, nkk 5 Số mol N2 sản phẩm kmol/s 11.10-6 6 Số mol N2 rửa cột kmol/s 8,6.10-6 7 Số mol O2 bị hấp phụ kmol/s 4,8.10-6
16 3.7 Mô phỏng và tối ưu hóa thiết bị tạo khí N2. 3.7.1 Mô phỏng và tối ưu hóa một cột + Mô phỏng và tối ưu một cột bằng phần mềm Matlab từ áp suất nạp 1 bar đến 8 bar theo phương trình (2-39) để tìm điều kiện làm việc tối ưu của cột. Hình 3-20, kết quả mô phỏng ở áp suất nạp 5 bar cột đạt điều kiện làm việc tối ưu (pi = 0, z = L). Hình 3.20 Kết quả mô phỏng áp suất riêng phần của O2 theo thời gian và chiều cao của cột ở áp suất nạp 5 bar, thời gian chạy 460s. Quan sát trên Hình 3.20 dự đoán thời gian hấp phụ trong cột khoảng từ 0 đến 40s. Chạy lại chương trình mô phỏng được kết quả, Hình 3.21. Hình 3.21 Kết quả mô phỏng áp suất riêng phần của O2 theo thời gian và chiều cao của cột ở áp suất nạp 5 bar, thời gian chạy 40s.
17 Từ kết quả mô phỏng Hình 3.21 có thể xuất bất kỳ kết quả áp suất nào tại từng thời điểm và từng tiết diện hay từng độ cao của cột. Các Hình 3.22 và 3.23 là các hình 2D của Hình 3.23 tại thời điểm t = 40 s và ở độ cao của cột h = 0,65 m. Hình 3.22 Áp suất riêng phần O2 theo chiều cao của cột, ở thời điểm 40s Hình 3.23 Áp suất riêng phần O2 theo thời gian, tại đầu ra của cột tại áp suất nạp 5 bar.
18 Hình 3.22 cho thấy áp suất riêng phần của O2 tại chiều cao 0,65 m (cuối cột) trở lại bình thường là 1 bar và tổn thất áp suất tương ứng qua cột là xấp xỉ từ 0 đến 0,2 bar. Hình 3.23 cho thấy áp suất riêng phần tại đầu ra của cột (z = 0,65m) bắt đầu chỉ tăng sau khoảng 30 giây. Điều này có nghĩa là tại thời gian đó cột bão hòa, khả năng hấp phụ giảm. Thời gian hấp phụ xác định gần đúng là 30s. Tương tự như vậy, khi tăng áp suất nạp lên 5,5 bar tìm được thời gian hấp phụ là 30s, có nghĩa cột đã đạt trạng thái bão hòa từ áp suất nạp 5 bar, các áp suất nạp > 5 bar không cần khảo sát. Tương tự phần mềm Matlab, mô phỏng một cột bằng phần mềm Presto quan sát được sự thay đổi của áp suất trong cột và phần mềm Aspen Adsorption tối ưu được một cột bằng dòng sản phẩn tinh khiết sử dụng trong quá trình tái sinh cột. 3.7.2 Mô phỏng và tối ưu hóa hai cột và thiết bị tạo khí N2 Vì thời gian nhả hấp phụ kéo dài nên cột được tái sinh bằng dòng khí N2 tinh khiết chảy ngược dòng với một lưu lượng tối ưu thì cột nhả hấp phụ hoàn toàn. Điều đó có nghĩa là muốn mô phỏng và tối ưu 2 cột (thiết bị) thì phải tìm ra tốc độ dòng tái sinh hợp lý sao cho thời gian hấp phụ và nhả hấp phụ bằng nhau. Từ Hình 3.21 và Hình 3.53 cho thấy kết quả mô phỏng sự thay đổi áp suất riêng phần của O2 trong quá trình hấp phụ trong pha khí (G) và trong quá trình nhả hấp phụ từ pha rắn (R) theo thời gian và theo chiều cao của cột là như nhau nhưng ngược chiều nhau ở điều kiện làm việc tối ưu. Hình 3.53 Sự thay đổi của áp suất riêng phần của O2 của quá trình nhả hấp phụ tại áp suất từ 5 đến 1,5 bar.