Tổng quan nghiên cứu

Khí oxy y tế và công nghiệp đóng vai trò sống còn trong đời sống xã hội, với thị trường toàn cầu ước đạt 6,1 tỷ USD và nhu cầu tiêu thụ tăng trưởng bình quân khoảng 6,3% mỗi năm. Không khí tự nhiên chứa 78,084% Nitơ và 20,948% Oxy, là nguồn nguyên liệu dồi dào để phân tách các khí tinh khiết. Tuy nhiên, các phương pháp truyền thống như chưng cất phân đoạn không khí hóa lỏng đòi hỏi vốn đầu tư hạ tầng khổng lồ, tiêu tốn nhiều năng lượng và gặp khó khăn trong việc vận chuyển bồn lỏng tới các vùng sâu vùng xa hoặc trong các giai đoạn dịch bệnh bùng phát khẩn cấp. Vấn đề đặt ra là phải tìm kiếm một công nghệ sản xuất oxy tại chỗ với chi phí đầu tư thấp, khả năng vận hành linh hoạt và độ tin cậy cao.

Luận văn tập trung vào mục tiêu nghiên cứu chế độ làm việc tối ưu của thiết bị làm giàu khí oxy sử dụng chu trình hấp phụ thay đổi áp suất (Pressure Swing Adsorption - PSA). Phạm vi không gian của nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm chuyên ngành Máy và Thiết bị Hóa chất Công nghiệp, Trường Hóa và Khoa học Sự sống thuộc Đại học Bách khoa Hà Nội, hoàn thành vào tháng 01/2024. Đề tài hướng tới việc xác lập các thông số động học dòng khí, tính toán thành phần khí nén sau khi qua cột tách ẩm và thiết lập chế độ thời gian cho từng bước làm việc của cột hấp phụ Zeolite. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện ở việc tạo ra dòng sản phẩm oxy y tế đạt độ tinh khiết từ 89,8% đến 92,9%, giúp giảm thiểu 30% đến 40% chi phí đầu tư ban đầu so với các trạm nạp oxy lỏng truyền thống, mở ra hướng đi bền vững cho an ninh y tế và tự chủ công nghệ sản xuất thiết bị trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết hấp phụ bề mặt pha khí - rắn, phân biệt giữa hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý. Quá trình làm giàu oxy bằng PSA dựa trên hấp phụ vật lý thuận nghịch có nhiệt lượng tỏa ra nhỏ từ 10 đến 20 kJ/mol, điều khiển bởi lực liên kết Van der Waals và tương tác tĩnh điện giữa các phân tử khí với tâm cation kim loại trong khung mạng chất hấp phụ. Vật liệu chọn lọc là Zeolite tổng hợp (tiêu biểu như Zeolite 5A và 13X) với kích thước mao quản dao động từ 4,3 đến 8 Angstrom. Do phân tử Nitơ sở hữu mômen tứ cực điện lớn hơn Oxy nên bị khung aluminosilicat mang điện tích âm của Zeolite ưu tiên giữ lại trong hệ thống vi mao quản, cho phép dòng giàu khí Oxy đi qua.

Mô hình nhiệt động học của chu trình Skarstrom 4 bước cơ bản được áp dụng xuyên suốt, bao gồm: tăng áp đầu vào, hấp phụ đẳng áp ở áp suất cao để thu sản phẩm, xả áp ngược dòng và rửa tái sinh cột bằng sản phẩm tinh khiết ở áp suất khí quyển. Ngoài ra, lý thuyết cải tiến chu trình Berlin với bước cân bằng áp suất giữa hai cột hấp phụ cũng được phân tích nhằm giảm khoảng 50% thất thoát năng lượng nén khí. Khái niệm độ xốp lớp đệm 0,43 và đường cong xuyên phá nồng độ khí là những công cụ lý thuyết cốt lõi để xác định giới hạn bão hòa của vật liệu.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa mô hình hóa toán học giải tích và kiểm chứng thực nghiệm trên mô hình pilot. Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ hệ thống thiết bị chế tạo tại Đại học Bách khoa Hà Nội với kích thước cột hấp phụ có đường kính trong 206 mm, chiều cao lớp vật liệu 1070 mm. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 3 chế độ vận hành độc lập (Thực nghiệm 1, Thực nghiệm 2 và Thực nghiệm 3) với hơn 20 chu kỳ lặp lại liên tục nhằm đánh giá độ lặp lại và tính ổn định của nồng độ oxy.

Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu kỹ thuật có chủ đích theo các biến thiên thông số điều khiển thời gian của van điện từ trên bộ điều khiển PLC. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích này là nhằm khảo sát chính xác mối quan hệ tương hỗ giữa áp suất làm việc, lưu lượng khí cấp và thời gian chuyển mạch đối với độ tinh khiết sản phẩm đầu ra. Hệ thống tiền xử lý sử dụng phương trình Dalton và đồ thị không khí ẩm Ramzin để tính toán tách ẩm triệt để trước khi dòng khí đi vào tháp hấp phụ Zeolite. Toàn bộ quá trình tính toán, thiết kế và thử nghiệm diễn ra trong khoảng thời gian 24 tháng từ năm 2022 đến đầu năm 2024.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu đã tính toán chính xác chế độ động học cho cột Zeolite có đường kính trong 206 mm, chiều cao lớp đệm 1070 mm và độ xốp 0,43. Kết quả xác định thời gian tăng áp tối ưu của cột là 13 giây và thời gian bão hòa Nitơ của lớp vật liệu là 65 giây. Việc duy trì thời gian làm việc trong ngưỡng 65 giây giúp ngăn chặn hiện tượng Nitơ xuyên phá qua đỉnh tháp, đảm bảo tối đa hóa sản lượng oxy thu hồi.

Thứ hai, kết quả thực nghiệm trên mô hình thực tế đã chứng minh khả năng làm giàu oxy vượt trội qua các chế độ vận hành khác nhau. Trong Thực nghiệm 1, độ tinh khiết khí Oxy đạt 92,9% sau 15 phút khởi động và duy trì ổn định. Ở Thực nghiệm 2, với sự thay đổi nhỏ về chu kỳ đóng mở van, nồng độ oxy ghi nhận đạt 90,9% sau 15 phút làm việc. Tại Thực nghiệm 3, hệ thống đạt độ tinh khiết 89,8% sau 20 phút vận hành liên tục. Sự chênh lệch độ tinh khiết từ 2,0% đến 3,1% giữa các thực nghiệm khẳng định tầm quan trọng của việc hiệu chỉnh chính xác từng giây thời gian đóng mở van điện từ.

Thứ ba, hệ thống tiền xử lý với máy nén khí dây đai, máy sấy tác nhân lạnh và cụm 3 cấp lọc đã loại bỏ hoàn toàn lượng ẩm và bụi dầu, bảo vệ hữu hiệu tuổi thọ của sàng phân tử Zeolite.

Thứ tư, bộ điều khiển PLC lập trình chính xác đã duy trì chu kỳ đảo cột tự động, đáp ứng hoàn hảo yêu cầu cấp oxy liên tục với độ dao động áp suất không vượt quá 0,2 bar.

Thảo luận kết quả

Khi phân tích sâu về cơ chế truyền khối, sự biến thiên nồng độ oxy theo thời gian phản ánh rõ nét chuyển động của mặt trước hấp phụ trong cột Zeolite. Dữ liệu thực nghiệm có thể được biểu diễn trực quan qua biểu đồ biến thiên áp suất theo chu kỳ thời gian và bảng tổng hợp mối quan hệ giữa áp suất làm việc với độ tinh khiết oxy sản phẩm. Trên đồ thị phân bố nồng độ, đường cong biểu diễn tỷ lệ phần trăm oxy tăng vọt từ 20,95% của không khí môi trường lên mức cực đại 92,9% chỉ trong vòng 900 giây đầu tiên.

So sánh với nghiên cứu gốc của Skarstrom khi sử dụng Zeolite 13X với hiệu suất thu hồi chỉ đạt khoảng 10%, thiết kế của luận văn đã cải thiện đáng kể năng suất nhờ tối ưu hóa kích thước hình học cột và định lượng chính xác thời gian tăng áp 13 giây. Độ tinh khiết 92,9% đạt được hoàn toàn tương thích với tiêu chuẩn Dược điển quốc tế dành cho oxy y tế (thường yêu cầu từ 90% đến 96%). Sự sụt giảm nhẹ nồng độ oxy ở Thực nghiệm 3 (xuống 89,8%) được giải thích là do hiện tượng lưu khí và thời gian nhả hấp phụ chưa triệt để, khiến một lượng nhỏ Nitơ còn tồn lưu trong các vi mao quản trước khi bước vào chu trình hấp phụ mới. Điều này củng cố luận điểm rằng việc cân bằng thời gian rửa ngược và tái sinh cột có ý nghĩa quyết định đến chất lượng dòng sản phẩm đầu ra.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, tối ưu hóa chu trình bằng cách ứng dụng bước cân bằng áp suất của chu trình Berlin cho hệ thống 2 cột hấp phụ. Giải pháp này giúp thu hồi dòng khí giàu oxy ở áp suất cao để tăng áp sơ bộ cho cột đang ở áp suất thấp, mục tiêu giảm thiểu 50% thất thoát khí nén và tiết kiệm 15% điện năng tiêu thụ cho máy nén, dự kiến triển khai thử nghiệm trong vòng 3 đến 6 tháng.

Thứ hai, mở rộng quy mô thiết bị từ mô hình phòng thí nghiệm sang hệ thống công nghiệp đa cột (3 hoặc 4 cột) nhằm nâng công suất sản xuất oxy lên mức 5 đến 10 m3/h. Đơn vị chủ trì thực hiện là nhóm nghiên cứu phối hợp với các doanh nghiệp sản xuất thiết bị y tế trong nước, với lộ trình hoàn thiện thiết kế chế tạo trong 12 tháng, trước quý IV/2025.

Thứ ba, tích hợp các cảm biến đo nồng độ oxy và lưu lượng kế điện tử với vòng điều khiển phản hồi tự động về PLC. Việc này cho phép thiết bị tự động điều chỉnh linh hoạt thời gian chu trình (từ 13 giây đến 65 giây) theo sự thay đổi của nhiệt độ môi trường và độ ẩm không khí cấp, hoàn thành lập trình trong thời gian 2 tháng.

Thứ tư, chuẩn hóa quy trình bảo dưỡng và sấy tái sinh định kỳ vật liệu Zeolite ở nhiệt độ 110 đến 120 độ C sau mỗi 2000 giờ làm việc liên tục. Đơn vị vận hành cần kiểm tra định kỳ hệ thống lọc bụi và tác nhân lạnh để đảm bảo độ xốp cột luôn duy trì ở mức 0,43, bảo vệ hạt Zeolite không bị ngộ độc hơi ẩm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư thiết kế thiết bị Hóa chất và Cơ điện tử: Luận văn cung cấp toàn bộ quy trình tính toán kích thước cột (đường kính 206 mm, chiều cao 1070 mm), sơ đồ công nghệ và thuật toán điều khiển PLC van điện từ, là tài liệu kỹ thuật thực tế để thiết kế máy tạo oxy tại chỗ.

Ban quản lý trang thiết bị tại các bệnh viện và cơ sở y tế: Nghiên cứu mang lại cơ sở khoa học để đánh giá hiệu quả kinh tế và kỹ thuật khi đầu tư hệ thống tạo oxy y tế PSA 90-93%, giúp các bệnh viện tự chủ nguồn oxy cấp cứu với chi phí vận hành thấp hơn 30% so với phương án mua bình khí nén.

Doanh nghiệp sản xuất công nghiệp luyện kim, cơ khí hàn cắt: Các cơ sở gia công kim loại bằng phương pháp hàn hơi oxy-axetylen hoặc lò thổi luyện thép có thể áp dụng mô hình này để sản xuất oxy công nghiệp tại chỗ, giảm thiểu rủi ro vận chuyển và lưu trữ khí nén áp lực cao.

Giảng viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Hóa học: Luận văn là nguồn tư liệu học thuật giá trị về truyền khối, động học hấp phụ khí trên vật liệu xốp Zeolite, phục vụ hiệu quả cho công tác giảng dạy môn học Máy và Thiết bị Hóa chất Công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

Công nghệ PSA trong luận văn đạt được độ tinh khiết oxy tối đa là bao nhiêu? Thiết bị thực nghiệm của luận văn đạt độ tinh khiết oxy cao nhất là 92,9% sau 15 phút vận hành ở chế độ Thực nghiệm 1. Kết quả này đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn oxy y tế theo quy định Dược điển, phù hợp cho việc hỗ trợ điều trị các bệnh nhân gặp khó khăn về đường hô hấp.

Tại sao thời gian tăng áp lại được ấn định là 13 giây và thời gian bão hòa là 65 giây? Các con số 13 giây và 65 giây được xác định dựa trên tính toán truyền khối động học cho cột Zeolite có đường kính trong 206 mm và chiều cao 1070 mm. Khoảng thời gian 65 giây là điểm tới hạn trước khi Nitơ bão hòa và xuyên phá qua lớp vật liệu đệm, đảm bảo lượng oxy thu hồi đạt độ tinh khiết tối ưu.

Vai trò của hệ thống tiền xử lý khí nén trước khi vào cột Zeolite là gì? Không khí ẩm ngoài môi trường chứa hơi nước và bụi dầu từ máy nén có thể làm ngộ độc và suy giảm vĩnh viễn khả năng hấp phụ của Zeolite. Cụm máy sấy lạnh và các bộ lọc giúp hạ điểm sương, loại bỏ triệt để ẩm và tạp chất hữu cơ, duy trì độ xốp cột ổn định ở mức 0,43.

Ưu điểm nổi bật của hệ thống PSA so với phương pháp chưng cất phân đoạn không khí lỏng là gì? Hệ thống PSA có chi phí đầu tư ban đầu thấp, kết cấu gọn nhẹ, vận hành tự động bằng PLC và khởi động nhanh chỉ trong 15 phút. Trong khi đó, chưng cất phân đoạn đòi hỏi hạ nhiệt độ xuống dưới -183 độ C, tiêu tốn năng lượng lớn và chỉ hiệu quả kinh tế ở quy mô sản xuất hàng chục tấn mỗi ngày.

Làm thế nào hệ thống điều khiển PLC đảm bảo độ ổn định cho thiết bị làm giàu oxy? Bộ điều khiển PLC nhận tín hiệu từ các cảm biến áp suất và kích hoạt đóng mở chuỗi van điện từ theo đúng chu kỳ mili-giây đã lập trình. Cơ chế tự động này giúp duy trì nhịp độ luân phiên giữa chu kỳ tăng áp 13 giây và xả áp tái sinh, ngăn chặn hiện tượng quá áp và đảm bảo áp suất sản phẩm dao động ổn định.

Kết luận

• Xác lập thành công cơ sở tính toán nhiệt động và truyền khối cho thiết bị làm giàu oxy PSA, tìm ra thông số thời gian tăng áp tối ưu 13 giây và thời gian bão hòa 65 giây. • Chế tạo hoàn chỉnh mô hình thực nghiệm cột hấp phụ Zeolite quy chuẩn với đường kính trong 206 mm, chiều cao lớp đệm 1070 mm và độ xốp 0,43. • Đạt độ tinh khiết oxy sản phẩm 92,9% sau 15 phút vận hành, chứng minh tính khả thi tuyệt đối của công nghệ làm giàu oxy tại chỗ phục vụ y tế và công nghiệp. • Làm chủ công nghệ điều khiển tự động hóa toàn phần thông qua hệ thống van điện từ và bộ lập trình PLC, đảm bảo thiết bị vận hành liên tục và ổn định. • Đóng góp giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao, mở ra tiềm năng thương mại hóa sản phẩm máy tạo oxy tự chủ sản xuất tại Việt Nam với giá thành cạnh tranh.

Lộ trình phát triển tiếp theo trong 6 đến 12 tháng tới sẽ tập trung vào việc nâng cấp lên hệ thống 2 đến 4 cột hấp phụ tích hợp bước cân bằng áp suất Berlin và hoàn thiện tiêu chuẩn hóa thương mại. Các doanh nghiệp cơ khí chế tạo, thiết bị y tế và các nhà đầu tư công nghệ được khuyến khích hợp tác chuyển giao công nghệ để sớm đưa sản phẩm vào sản xuất hàng loạt, phục vụ cộng đồng.