MỤC LỤC

MỤC LỤC ........................................................................................................................ 1
L I

M N .................................................................................................................. 5

L I AM ĐOAN ............................................................................................................ 6
ANH MỤ

H NH Đ TH ................................................................................ 8

ANH MỤ

NG............................................................................................. 10

HƯ NG 1: TỔNG QUAN VỀ NIT ......................................................................... 12

1.1. Thành phần của không khí. ................................................................................. 12
1.2. Các tính chất vật lý của không khí đồ thị I – x .................................................. 13
1.2.1 Độ ẩm tuyệt đối của không khí .................................................................... 13
1.2.2. Độ ẩm tương đối của không khí ................................................................... 13
1.2.3. Hàm ẩm của không khí ................................................................................ 14
1.2.4. Nhiệt lượng riêng của 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 của hỗn hợp không khí ẩm. ............................................. 16
1.3. Các tính chất vật lý của nitơ và oxy. .................................................................. 18
1


2.5.5. nh hưởng của kích thước hạt vật liệu hấp phụ. ......................................... 48
2.5.6. nh hưởng của pha chất bị hấp phụ............................................................. 48
2.5.7. Thiết kế 1 một 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 của 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 cơ khí.............................................................................................. 66
3.2.3. Tính toán công nghệ ..................................................................................... 67
3.2.3. Lựa chon máy nén và xử lý khí nén ............................................................. 70
3.2.4. Hệ thống van đường ống và các thiết bị phụ trợ .......................................... 72
3.2.5. Hệ thống điều khiển và thiết bị đo nồng độ nitơ. ......................................... 74
3.3. Tóm tắt cấu hình của thiết bị ............................................................................... 74
3.4. Kết quả thực nghiệm. ......................................................................................... 76

3


CHƢƠNG 4: ỨNG DỤNG ASPEN ADSORPTION ĐỂ MÔ PHỎNG ................. 77

4.1. Giới thiệu về Aspen Adsorption ......................................................................... 77
4.2. Các giả thiết cơ bản ............................................................................................. 78


ầu khí c ng các bạn sinh viên K55 K56 đã giúp đỡ, ủng hộ trong suốt thời

gian làm luận văn.
Hà Nội, ngày 29 tháng 9 năm 2015
Học viên

Hà ăn Hảo

5


L I CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu, mô phỏng chế độ làm việc của thiết bị tạo
nitơ bằng nguyên lý hấp phụ” là do bản thân tôi thực hiện. Các số liệu kết quả trong đề
tài là trung thực và chưa từng được công bố. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách
nhiệm.

Hà Nội ngày 20/9/2015

Tác giả luận văn

6


DANH MỤC C C

HIỆU VIẾT TẮT


Quá trình làm lạnh và sấy khô không khí ẩm.

19

3

Hình 1.3

Tháp chưng cất đôi sản xuất oxy nitơ.

25

4

Hình 1.4

Sơ đồ nguyên lý công nghệ hấp phụ sản xuất khí nitơ oxy

27

5

Hình 1.5

Sơ đồ công nghệ sản xuất nitơ bằng phương pháp hấp thụ

29

6


10

Hình 2.4

Đường đẳng nhiệt hấp phụ của các khí trên vật liệu CMS

43

11

Hình 2.5

Quá trình vận hành của 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


TRANG

17

Hình 2.11 Công nghệ DSA

58

18

Hình 2.12 Công nghệ PSA tách 2 cấu tử

60

19

Hình 2.13 Chu trình làm việc 4 bước của công nghệ PSA

61

20

Hình 3.1

Sơ đồ công nghệ hệ thống

64

21



Hình 4.1

Sơ đồ dây chuyền công nghệ tạo khí nitơ PSA trong phần
mềm aspen adsorption

74
77
78
79
83

27

Hình 4.2

Các thông số kỹ thuật của dòng vào F1.

83

28

Hình 4.3

Bảng cài đặt chu kỳ làm việc

85

29


34

Hình 4.8

Sự thay đổi áp suất từng cột theo thời gian

89

35

Hình 4.9

Biến thiên phần mol của nitơ trong dòng khí sản phẩm

90

9


DANH MỤC C C ẢNG

TT

NỘI DUNG
TRANG

1

Bảng 1.1


5

Bảng 2.2

6

Bảng 2.3

7

Bảng 2.4

Thông số vật lý của MS 240

54

8

Bảng 3.1

Chu trình hoạt động bước 1 của các van

65

9

Bảng 3.2

Chu trình hoạt động bước 2 của các van



Các thông số của thiết bị tạo nitơ

10

46
49

75
77


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong điều kiện thường khí nitơ gần như trơ về mặt hóa học nên n thường
được sử dụng để tạo ra môi trường bảo vệ, chống lại sự oxy hóa hoặc ngăn ngừa sự
cháy nổ, vì vậy n được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực công nghiệp.
Trong công nghiệp nitơ chủ yếu được điều chế bằng kỹ thuật hóa lỏng không
khí và chưng cất phân đoạn. Điều này chỉ có thể thực hiện tại các nhà máy khí công
nghiệp qui mô lớn. Ngoài ra nitơ còn được sản xuất bằng phương pháp khác như hấp
thụ với dòng muối nóng chảy hoặc công nghệ màng. Tuy nhiên các hệ thống đều làm ở
quy mô công nghiệp tương đối lớn cồng kềnh hoặc đắt tiền. Với nhu cầu sử dụng nhỏ
và vừa như d ng trong công việc bao gói, bảo quản sản phẩm hoặc ở những nơi không
có nguồn cung cấp khí công nghiệp như ngoài dàn khoan người ta thường sử dụng các
máy tạo nitơ theo chu 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

ra khỏi khí
1.1. Thành phần của không khí [16]
Theo NASA thành phần phần trăm theo thể tích của không khí được cho trong
bảng sau.
Bảng 1.1. Thành phần của không khí theo thể tích
Chất khí

Nitơ

Oxy

Agon

Thành phần 78,084% 20,946% 0,934 %

Chất khí

He

CH4

Krypton

Thành phần 5,24 ppm 1,745 ppm 1,14ppm

12

CO2

Neon

Nếu coi không khí ẩm tuân theo phương trình trạng thái khí lí tưởng thì:



ph
pbh

1.2 

Trong đ :
-

 h - khối lượng riêng của hơi nước trong 1m3 không khí ẩm, kg/m3

-

bh - khối lượng riêng của hơi nước trong 1m3 không khí đã bão hòa hơi
nước, kg/m3

-

ph – áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp không khí ẩm

13


-

pbh – áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp không khí ẩm đã bão hòa
hơi nước


I  1000  1,97.103.x  t  2493.103 x

1.4

1.2.5. Điểm sƣơng
Giả sử có một hỗn hợp không khí ẩm chưa bão hòa hơi nước. Làm lạnh hỗn hợp
này trong điều kiện x = const thì nhiệt độ của khối khí giảm dần độ ẩm tương đối của
không khí tăng dần đến trạng thái bão hòa hơi nước (φ = 100 ). Nếu tiếp tục giảm
nhiệt độ của khí thì trong hỗn hợp khí bắt đầu xuất hiện những giọt sương m do hơi
nước trong hỗn hợp khí ngưng tụ lại, thì hàm ẩm của hỗn hợp khí bắt đầu giảm. Nhiệt
độ của hỗn hợp khí tương ứng với trạng thái bão hòa hơi nước gọi là nhiệt độ điểm
sương ký hiệu là ts.Vậy điểm sương là giới hạn của quá trình làm lạnh không khí trong
điều kiện hàm ẩm x không đổi.
1.2.6. Nhiệt độ bầu ƣớt
Nếu ta cho nước bay hơi trong khối không khí chưa bão hòa hơi nước trong điều
kiện đoạn nhiệt nghĩa là quá trình bay hơi nước xảy ra do nhiệt của khối không khí
cung cấp mà không cung cấp thêm nhiệt và c ng không bớt nhiệt của khối không khí,
thì trong suốt quá trình bay hơi nhiệt độ của không khí giảm dần, hàm ẩm tăng dần đến
khi khối không khí bão hơi nước thì hệ đạt trạng thái cân bằng động nghĩa là cứ trên
một đơn vị bề mặt bốc hơi trong c ng một đơn vị thời gian c bao nhiêu lượng ẩm bay
hơi vào không khí thì ngược lại c ng c bấy nhiêu lượng ẩm ngưng tụ từ mội trường
không khí vào nước. Nhiệt độ của không khí không giảm nữa và bằng nhiệt độ của
nước bay hơi nhiệt độ này gọi là nhiệt độ bầu ướt thường ký hiệu là tư.
Vậy nhiệt độ bầu ướt là một thông số đặc trưng cho khả năng cấp nhiệt của không
khí để làm bay hơi nước cho đến khi không khí bão hòa hơi nước.
1.2.7. Thể tích không khí ẩm

15


không khí khô và khối lượng riêng của hơi nước ở cùng nhiệt độ:

  kkk  h , kg/m3

1.6

1.2.9. Đồ thị I-x của không khí ẩm
Để xác định trạng thái của không khí ẩm ta d ng đồ thị I-x. Đồ thị được thành lập
ở áp suất khí quyển bằng 745 mmHg, góc giữa hai trục chính của đồ thị là 1350. Trục
tung là nhiệt hàm I, trục hoành là hàm ẩm x.Vậy các đường đẳng I là các đường xiên
song song với trục hoành các đường đẳng x là các đường thẳng song song với trục
tung. Ngoài hai trục chính này trên đồ thị còn c các đường đẳng nhiệt to = const,
đường độ ẩm tương đối không đổi và đường áp suất hơi nước riêng phần.
Trạng thái của không khí ẩm được đặc trưng bằng bốn thông số trạng thái cơ bản
là to φ x I.

ng đồ thị I-x thì ta chỉ cần hai trong 4 thông số cơ bản trạng thái của

16


không khí ẩm, vì mỗi điểm trong mặt phẳng đồ thì I-x là giao của bốn đường: đẳng
nhiệt t0 đẳng φ đẳng x đẳng I.

t 0C

Đồ thị I – x ở áp suất khí quyển

Hình 1.1 Đồ thị I-x của không khí ẩm tại áp suất khí quyển 760 mmHg.
Dựa trên đồ thị I-x ta có thể mô tả được quá trình làm lạnh và làm khô không khí

TÍNH CHẤT CHUNG

Tên, ký hiệu
Hình dạng

Ôxy, O
Khí không màu c màu xanh dương nhạt khi hóa lỏng, phát
sáng với ánh sáng xanh dương khi ở thể plasma

Số nguyên tử

8

Khối lượng nguyên

15.9994

tử chuẩn
Phân loại

Phi kim

Nhóm, phân lớp

16, p

Chu kỳ

Chu kỳ 2



ở nhiệt độ sôi: 1,141 g·cm−3

Điểm tới hạn

154,59 K, 5,043 Mpa

Nhiệt

lượng

nóng (oxy) 0,444 kJ·mol−1

chảy
Nhiệt lượng bay hơi
Nhiệt dung

(oxy) 6,82 kJ·mol−1
(oxy)
29,378 J·mol−1·K−1

TÍNH CHẤT NGUYÊN TỬ

Trạng thái ôxi hóa

Oxit trung hòa

Độ âm điện

3,44 (Thang Pauling)


Độ dẫn nhiệt

26.58x10-3 W·m−1·K−1

Tính chất từ

Thuận từ

Số đăng ký CAS

7782-44-7

Đường kính phân tử

1.3.2. Khí nitơ
Nitơ là một nguyên tố h a học trong bảng tuần hoàn các nguyên tố có ký
hiệu N và số nguyên tử bằng 7.Ở điều kiện bình thường n là một chất khí không màu
không m i không vị và khá trơ và tồn tại dưới dạng phân tử nitơ còn gọi là đạm
khí.Nitơ chiếm khoảng 78

khí quyển Trái Đất và là thành phần của mọi cơ thể sống.

Bảng 1.3. Các tính chất vậy lý cơ bản của nitơ

TÍNH CHẤT CHUNG

Tên, ký hiệu

Nitơ N2

1s2 2s2 2p3

Mỗi lớp

2, 5

TÍNH CHẤT VẬT LÝ

Màu sắc

Không màu

Trạng thái vật chất

Chất khí

Nhiệt độ nóng chảy

63,15 K (-210,00 °C, -346,00 °F)

Nhiệt độ sôi

77,36 K (-195,79 °C, -320,33 °F)

Mật độ

1,251 g/L(at 0 °C, 101.325 kPa)

Mật độ ở thể lỏng



Độ âm điện

3,04 (Thang Pauling)

Năng lượng ion hóa

Thứ nhất : 1402,3 kJ·mol−1
Thứ hai : 2856 kJ·mol−1
Thứ ba : 4578,1 kJ·mol−1

Bán kính liên kết cộng 71±1 pm
hóa trị
Bán kính Van der Waals 155 pm

THÔNG TIN KHÁC

Cấu trúc tinh thể

Lục phương

Vận tốc âm thanh

(Thể khí, 27 °C) 353m·s−1

Tính chất từ

Nghịch từ

Số đăng ký CAS



suất cao có nồng độ oxy tăng dần, và xuống đáy tháp áp suất cao được lấy ra (nồng độ
oxy thu được tầm 35%) qua van giảm áp và vào đoạn giữa của tháp áp suất thấp. Dòng
oxy lỏng thô này được tiến hành chưng cất ở tháp áp suất thấp dòng hơi đi lên tháp
giàu nitơ được lấy ra ở đỉnh tháp, dòng lỏng đi xuống đáy tháp áp suất thấp giàu oxy
được lấy ra một phần làm sản phẩm, phần còn lại được đưa về đáy tháp để đun sôi tạo
dòng hơi nhiệt để cấp cho chất lỏng sôi ở đáy tháp áp suất thấp được tiến hành trong
thiết bị trao đổi nhiệt với dòng hơi giàu nitơ của tháp áp suất cao. Trong hệ thống tháp
chưng cất đôi mục đích chính của tháp cao áp là chưng cất để cung cấp hai dòng lỏng
giàu nitơ và dòng lỏng oxy thô để làm dòng vào cho tháp áp suất thấp. Tháp áp suất
thấp chưng cất dòng oxy lỏng thô để cung cấp lượng oxy cần thiết cho dòng sản phẩm.
Dòng nitơ lỏng là dòng hồi lưu về tháp áp suất thấp rất cần thiết cho sự tinh khiết của
dòng hơi sản phẩm nitơ. Hệ thống này có thể tạo dòng sản phẩm tinh khiết tới ppm,
nồng độ oxy trong pha hơi được giảm tới mức thấp nhất độ tinh khiết của hai sản
phẩm có thể đạt tới 99,5%.
1.4.2. Sử dụng kỹ thuật hấp phụ

25