- NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ TỐI ƯU HÓA THIẾT BỊ TẠO KHÍ NI TƠ SỬ DỤNG. - CHU TRÌNH HẤP PHỤ THAY ĐỔI ÁP SUẤT. - Trước kia, kỹ thuật hấp phụ là một kỹ thuật chỉ biết đến như một k ỹ thuật xử lý môi trường để thu hồi các dung môi ít có giá trị. - Ngày nay, h ấp phụ trở thành một kỹ thuật mới, trọng điểm trong phân tách các chất, k ỹ thuật này dựa vào đặc tính hấp phụ chọn lọc theo kích thước phân tử c ủa 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 N 2 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 N 2 từ không khí. - M ục tiêu của luận án : Nghiên c ứu quy luật hấp phụ và nhả hấp phụ c ủa O 2 trên b ề mặt vật liệu hấp phụ sàng phân tử cacbon trong cột của thi ết bị tạo khí N 2 s ử dụng chu trình hấp phụ thay đổi áp suất bằng mô hình toán và mô ph ỏng trên các phần mềm. - Nội dung nghiên cứu: nghiên cứu các tính chất đặc trưng của vật liệu hấp phụ sàng phân tử cacbon. - 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 O 2 . - nghiên cứu mô phỏng và tối ưu hóa thiết b ị tạo khí N 2 s ử dụng chu trình hấp phụ thay đổi áp suất bằng phần mềm Matlab, Presto và Aspen Adsorption. - xây dựng hoàn ch ỉnh phương pháp nghiên cứu mô phỏng và tối ưu hóa cho các thi ết bị phân tách khí sử dụng chu trình hấp phụ thay đổi áp suất (PSA).. - Ý nghĩa khoa học và thực tiễn : k ết quả của luận án có ý nghĩa về khoa h ọc 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. - 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 truy ền khối. - các mô hình toán và trở lực của lớp hạt qua cột hấp phụ. - mục tiêu nghiên cứu mô phỏng và tối ưu hóa thi ết bị tạo khí N 2 s ử dụng chu trình hấp phụ thay đổi áp suất. - Đối tượng nghiên cứu: quy luật hấp phụ và nhả hấp phụ của khí O 2. - trên b ề mặt vật liệu hấp phụ sàng phân tử carbon (CMS) trong cột hấp ph ụ của thiết bị tạo khí N 2 s ử dụng chu trình hấp phụ thay đổi áp suất;. - Ph ạm vi nghiên cứu: ở nhiệt độ môi trường, áp suất từ 0 đến 8 bar và độ tinh khiết của sản phẩm khí N ổn định.. - 2.2 V ật tư, hóa chất, dụng cụ và thiết bị nghiên cứu 2.2.1 V ật liệu hấp phụ sàng phân tử cacbon CMS-240:. - 2.2.2 Các thi ết bị, dụng cụ phục vụ nghiên cứu vật liệu hấp phụ. - 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 t ử cacbon. - 3.1 Kết quả nghiên cứu đánh giá về vật liệu hấp phụ CMS-240 3.1.1 Các chỉ tiêu kỹ thuật chung. - Kết quả phân tích. - riêng thực (rắn) ρ s g/cm 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.. - 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 O 2 và N 2. - 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 O 2 bị hấp phụ là:. - mà lượng O 2 bị hấp phụ V O2 = 20 %.V kk . - Khi đó ta lấy sản phẩm còn lại không bị hấp phụ là khí N 2 tinh khiết.. - Theo kết quả tính toán lượng khí O 2 được hấp phụ tối đa trong cột chứa 3,5 kg vật liệu CMS-240 là kmol/s ở áp suất 8 bar, thời gian hấp phụ là 9,8 s. - 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 ph ụ, phụ thuộc và kích thước hạt, hình dạng hạt, tốc độ dòng khí qua l ớp hạt, độ xốp và lực hút do vi mao quản của vật liệu xốp tạo ra trong quá trình h ấp 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 K ết quả lý thuyết và thực nghiệm trở lực qua lớp hạt phụ thu ộc vào tốc độ trong quá trình hấp phụ và nhả hấp phụ.. - Tổng tổn thất áp suất qua cột hấp phụ (3-56):. - Nhưng thực nghiệm đo áp suất theo chi ều cao của cột trong một quá trình như hấp phụ cho thấy tổn th ất áp suất không phụ thuộc tuyến tính vào tốc độ mà nó là đường cong khi quá trình h ấp 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. - 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 t ả quá trình nh ả hấp phụ (từ pha rắn). - áp suất tại chu kỳ đầu tiên. - áp suất ban đầu tại các chu kỳ tiếp theo p i ≠ 0. - 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 O 2 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 v ề chế độ chảy qua cột như tốc độ v và quá trình vận tải giữa pha khí – pha r ắn là hệ số khuếch tán dọc trục D L. - S ự thay đổi áp suất riêng phần của O 2 ph ụ thuộc vào thời gian và chi ều cao của cột. - Hai mô hình toán này được s ử dụng để mô phỏng quá trình hấp phụ và nhả hấp phụ khi coi hệ số khu ếch tán theo hướng kính là không đáng kể. - V ận tốc dòng khí qua cột hấp phụ xốp xác định theo:. - 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, u c và D L 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 c ủa O 2 ở các tốc độ khác nhau để tìm điều kiện làm việc tối ưu của c ột, để thời gian nhả hấp phụ = thời gian hấp phụ phải sử dụng tác nhân tái sinh c ột.. - I Vật liệu hấp phụ CMS-240. - II C ột hấp phụ 2 c ột B 1 ,B 2. - 1 Áp suất làm việc bar 1 đến 8. - 7 S ố mol O 2 b ị hấp phụ kmol/s 4,8.10 -6. - 3.7 Mô phỏng và tối ưu hóa thiết bị tạo khí N 2 . - 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 (p i = 0, z = L).. - Hình 3.20 K ết quả mô phỏng áp suất riêng phần của O 2 theo th ời gian và chi ều cao của cột ở áp suất nạp 5 bar, thời gian chạy 460s.. - Quan sát trên Hình 3.20 d ự đoán thời gian hấp phụ trong cột khoảng t ừ 0 đến 40s. - Hình 3.21 Kết quả mô phỏng áp suất riêng phần của O 2 theo thời gian và chiều cao của cột ở áp suất nạp 5 bar, thời gian chạy 40s.. - 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. - Hình 3.23 Áp suất riêng phần O 2 theo thời gian, tại đầu ra của cột tại áp suất nạp 5 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 th ời gian hấp phụ là 30s, có nghĩa cột đã đạt trạng thái bão hòa từ áp su ất nạp 5 bar, các áp suất nạp >. - Vì th ời gian nhả hấp phụ kéo dài nên cột được tái sinh bằng dòng khí N 2 tinh khi ết chảy ngược dòng với một lưu lượng tối ưu thì c ột nhả hấp phụ hoàn toàn. - Điều đó có nghĩa là muốn mô phỏng và t ối ưu 2 cột (thiết bị) thì phải tìm ra tốc độ dòng tái sinh hợp lý sao cho th ời gian hấp phụ và nhả hấp phụ bằng nhau.. - T ừ Hình 3.21 và Hình 3.53 cho thấy kết quả mô phỏng sự thay đổi áp suất riêng phần của O 2 trong quá trình h ấp phụ trong pha khí (G) và trong quá trình nh ả hấp phụ từ pha rắn (R) theo thời gian và theo chi ều cao của cột là như nhau nhưng ngược chiều nhau ở điều ki ện làm việc tối ưu.. - Hình 3.53 S ự thay đổi của áp suất riêng phần của O 2 c ủa quá trình nh ả hấp phụ tại áp suất từ 5 đến 1,5 bar.. - Hình 3.57 S ự thay đổi của áp suất riêng phần của O2 ở các chu kỳ sau theo th ời gian tại đầu ra của cột z = 0,65 m, áp suất 5 bar. - T ừ Hình 3.23 và Hình 3.57 cho thấy rõ hơn sự thay đổi áp suất riêng ph ần của O 2 theo th ời gian tại đầu ra của cột (z = 0,65 m) tăng gi ảm ngược nhau ứng với hai quá trình hấp phụ và nhả hấp phụ nhưng th ời gian hấp phụ và nhả hấp phụ là như nhau đều là 30 s do hai quá trình đều đã được tối ưu hóa. - Tổn thất áp suất qua cột xấp xỉ 0,2 bar.. - Tương tự như phần mềm Matlab, sử dụng phần mềm Presto của Đức để mô phỏng một chiều sự thay đổi áp suất di chuyển trong cột.. - Hình 3.61 thể hiện sự thay đổi áp suất tại đầu ra của 2 cột theo thời gian ngược nhau trong một chu kỳ, thể hiện hai cột làm việc luân phiên nhau. - Áp suất thay đổi trong các quá trình hấp phụ và nhả hấp ph ụ rất ổn định. - Hình 3.61 Sự thay đổi áp suất trong 2 cột B1, B2. - Hình 3.71 Sự thay đổi áp suất trong một cột, hai cột luân phiên nhau.. - Kết quả mô ph ỏng cho một bố số công nghệ làm việc tối ưu của thiết bị: thời gian h ấp phụ 40s, áp suất 5,5 bar và sản phẩm đạt độ tinh khiết ổn định ≥ 95,5 % khi tỷ lệ thu hồi R = 0,35.. - Luận án đã xác định được các đặc cơ bản của vật liệu hấp phụ sàng phân tử carbon CMS-240, kết quả phân tích cho thấy chúng được chế tạo bằng phương pháp tẩm phủ và hoạt hóa ở tốc độ rất cao, cấu trúc vật liệu có rất nhiều vi mao qu ản kích thước rất đồng đều. - đã tính toán, phân tích trở lực qua lớp hạt trong cột, thực tế t ổn thất áp suất qua lớp hạt không phụ thuộc tuyến tính vào tốc độ trong giai đoạn hấp phụ và nhả hấp phụ do sức hút của mao quản;. - Lu ận án đã thiết lập được mô hình toán mô tả quy luật hấp phụ và nh ả hấp phụ trong cột hấp phụ theo áp suất riêng phần của oxy phụ thuộc vào th ời gian và chiều cao của cột với các điều kiện đầu và điều kiện biên như chế độ làm việc của cột theo chu trình PSA. - đồng thời đã chọn thuật toán OLE để lập trình và mô ph ỏng cột hấp phụ và thiết bị bằng phần mềm Matlab, Presto và Aspen Adsorption . - đã nghiên cứu khảo sát quy luật sự thay đổi các tham số công ngh ệ đặc biệt là áp suất, tổn thất áp suất và các yếu tố ảnh hưởng đến năng su ất và độ tinh khiết của sản phẩm và tối ưu hóa thiết bị. - đồng thời đã xây dựng được một phương pháp nghiên c ứu hoàn chỉnh về phô phỏng và tối ưu hóa thiết bị phân tách không khí sử d ụng vật liệu hấp phụ sàng phân tử và chu trình hấp phụ thay đổi áp suất.. - Lu ận án đã làm sáng tỏ quy luật thay đổi áp suất trong cột và thiết bị t ạo khí N 2 theo chi ều cao của cột và theo thời gian trong chu kỳ làm việc của cột và thiết bị bằng mô hình toán theo áp suất riêng phần của O 2 , thông qua các phần mềm tự xây dựng và phần mềm thương mại, bằng mô phỏng và thực nghiệm đã mô phỏng và kiểm chứng thành công thiết bị tạo khí N 2. - thuật phân tách bằng hấp phụ sử dụng kỹ thuật hấp phụ, vật liệu sàng phân tử và chu trình PSA hoàn chỉnh.. - Ngoài ra, luận án đã xây dựng một phương pháp nghiên cứu hoàn chỉnh về mô phỏng và tối ưu hóa thiết bị phân tách sử dụng kỹ thuật hấp phụ và vật liệu hấp phụ sàng phân tử ở Việt Nam.. - Nghiên cứu mô phỏng sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình hấp phụ và nh ả hấp phụ trong thiết bị tạo khí N 2 làm vi ệc theo chu trình hấp phụ thay đổi áp suất.. - Nghiên c ứu mô phỏng và tối ưu hóa thiết bị tạo khí O 2 s ử dụng chu trình h ấp phụ thay đổi áp suất và vật liệu hấp phụ sàng phân tử Zeolite 5A, 13X sử d ụng trong y tế, hỗ trợ điều trị cho bệnh nhân mắc Covid-19 tại Việt Nam…. - Xây d ựng mô hình thiết bị PSA, nghiên cứu, tối ưu hóa chu trình hấp phụ với áp suất thay đổi để tách khí nitơ từ không khí, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân s ự (ISSN số 56, p. - Thi ết kế hệ thống đo lường, và điều khiển để nghiên cứu và tối ưu hóa thiết bị tạo khí nitơ sử dụng chu trình áp suất thay đổi, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công ngh ệ quân sự (ISSN số đặc san 08, p. - Nghiên c ứu mô phỏng, tối ưu hóa thiết bị tách khí nitơ theo chu trình hấp phụ áp suất thay đổi (PSA) bằng phần mềm Aspen Adsorption, Tạp chí Nghiên cứu Khoa h ọc và Công nghệ quân sự (ISSN số 61, p.140-149.. - Nghiên c ứu so sánh và lựa chọn chu trình hấp phụ thay đổi áp suất 4 bước và 6 bước trong thiết bị tạo khí N 2 . - Tạp chí Xúc tác Hấp phụ (ISSN Volume 8, Issue 3, p25-31.. - Nghiên c ứu về vật liệu hấp phụ sàng phân tử cacbon CMS-240 sử dụng trong thiết bị t ạo khí N 2 , T ạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự (ISSN s ố 62, p97-105.. - Nghiên c ứu thiết lập mô hình toán mô tả quá trình hấp phụ thay đổi áp suất trong thiết bị tạo khí N 2 . - Nghiên c ứu mô phỏng sự thay đổi áp suất riêng phần của oxi trong một cột của thiết bị tạo khí nitơ làm việc theo chu trình hấp phụ thay đổi áp suất. - Nghiên c ứu tính toán các tham số động học của mô hình toán mô tả quá trình hấp ph ụ của một cột trong thiết bị tạo khí N 2 làm vi ệc theo chu trình hấp phụ thay đổi áp su ất (PSA) và sử dụng vật liệu hấp phụ sàng phân tử cacbon CMS-240
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt