ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Nghiên cứu chế độ làm việc của thiết bị làm giàu khí oxy sử dụng chu trình hấp phụ thay đổi áp suất Mai Đức Minh Minh.vn Trường Hóa và Khoa học Sự sống Khoa Kỹ thuật Hóa học Giảng viên hướng dẫn: PGS. Vũ Đình Tiến Chữ ký của GVHD Bộ môn: Máy và thiết bị hóa chất công nghiệp Khoa: Kỹ thuật Hóa học HÀ NỘI, 1/2024 ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Nghiên cứu chế độ làm việc của thiết bị làm giàu khí oxy sử dụng chu trình hấp phụ thay đổi áp suất Giáo viên hướng dẫn Ký và ghi rõ họ tên LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, Em xin chân thành cảm ơn các Thầy/Cô của Đại học Bách khoa Hà Nội đã truyền đạt kiến thức, rèn luyện kỹ năng và tạo điều kiện tốt nhất để em thực hiện luận văn tốt nghiệp. Nếu tuổi thọ trung bình của cuộc đời một con người chỉ có 60 năm thì đối với quãng thời gian 2 năm học tập, nghiên cứu tại Đại học Bách khoa Hà Nội tưởng chừng như là ngắn ngủi nhưng cá nhân em nhận thấy nó đã khiến con người em thay đổi, trưởng thành hơn rất nhiều. Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, Em xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến Thầy PGS.
Vũ Đình Tiến là giảng viên hướng dẫn luận văn cao học này. Thầy là người dạy dỗ, hướng dẫn tận tình, sâu sắc về kiến thức chuyên môn, đồng thời cung cấp những trang thiết bị cần thiết giúp đỡ em có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Nếu không có những lời hướng dẫn, dạy bảo của Thầy thì luận văn tốt nghiệp này của Em rất khó có thể hoàn thiện được. Thầy là người truyền cảm hứng cho em khi mới bắt đầu tham gia chương trình cao học này, giúp em có thêm động lực, ham muốn học tập và nghiên cứu.
Một lần nữa, từ tận sâu trong đáy lòng, Em xin cảm ơn Thầy rất nhiều. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới anh ThS. Vũ Duy Hưng, người tiền bối trong lĩnh vực chuyên môn Thiết bị công nghiệp hóa chất đã giúp đỡ, chỉ bảo em để giúp em ngày một trở nên tốt hơn không chỉ trong luận văn này mà còn cả trong đời sống thực tiễn. Trong quá trình thực hiện, em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ từ các thầy, các cô, bạn bè và cả gia đình.
Em xin cảm ơn các thầy, các cô trong Khoa Kỹ thuật Hóa học, các học viên khóa 2021B và 2022A vì đã giúp đỡ, ủng hộ em trong 2 năm vừa qua. Tuy đã cố gắng thực hiện đề tài nhưng chắc chắn bài nghiên cứu không tránh khỏi còn nhiều thiếu sót, em rất mong được sự đóng góp ý kiến của Quý Thầy cô và anh chị. Xin chân thành cảm ơn! TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Tách oxy từ không khí bằng phương pháp hấp phụ thay đổi áp suất (Pressure Swing Adsorption-PSA) là một trong những phương pháp mới. Nhằm đảm bảo nguồn cung ứng oxy cho các cơ sở y tế phục vụ mục đích điều trị bệnh nhân gặp khó khăn về hô hấp và đặc biệt là các bệnh nhân mắc COVID-19 đang có diễn biến nặng.
Nhận thấy được tiềm năng lớn của hệ thống PSA trong điều chế oxy khi đáp ứng đầy đủ được các tiêu chuẩn về độ tinh khiết, khả năng vận hành tốt đi kèm với chi phí đầu tư thấp, cần gấp rút tính toán chu trình làm việc của hệ thống PSA và xây dựng một hệ thống thực nghiệm để tiến dần tới quy mô sản xuất sớm để đảm bảo được nguồn cung ứng oxy trong Việt Nam. Luận văn đã nghiên cứu chế độ làm việc của thiết bị làm giàu oxy bằng phương pháp hấp phụ thay đổi áp suất, từ đó thu được các thông số kỹ thuật nhờ tính toán thành phần dòng khí nén sau khi đã loại bỏ hết ẩm trong cột tách ẩm trước khi vào chu trình hấp phụ thay đổi áp suất, xác định được thời gian tăng áp một cột hấp phụ Zeolite đã được thiết kế trước theo thông số: Dtr=206mm, chiều cao lớp vật liệu H=1070mm, độ xốp của cột ε=0,43 là 13 giây, xác định được thời gian bão hòa của cột hấp phụ để đảm bảo tối ưu về sản lượng và độ tinh khiết của sản phẩm khí oxy là 65 giây. Sinh viên thực hiện Ký và ghi rõ họ tên MỤC LỤC MỤC LỤC. i DANH MỤC HÌNH VẼ.
iii DANH MỤC BẢNG BIỂU. TỔNG QUAN VỀ KHÔNG KHÍ .1 Thành phần không khí .2 Tính chất của không khí .1 Phương trình đặc trưng của trạng thái khí quyển.2 Nhiệt độ không khí .3 Áp suất không khí (khí áp) .4 Thông số vật lí của không khí ẩm .5 Biểu diễn trạng thái của không khí ẩm trên đồ thị I.3 Quá trình tách không khí .4 Các sản phẩm thu được từ không khí .1 Tình hình sản xuất và tiêu thụ sản phẩm từ không khí. TỔNG QUAN VỀ HẤP PHỤ .1 Khái niệm về hấp phụ .1 Phân biệt hấp phụ vật lí và hấp phụ hóa học.2 Một số vật liệu hấp phụ và sàng phân tử điển hình.1 Than hoạt tính .3 Chu trình hấp phụ PSA .1 Các bước cơ bản .2 Chu trình Skarstrom .3 Chu trình Berlin .4 Chu trình của hệ thống cột .4 Chu trình hấp phụ thay đổi áp suất nhanh (RPSA). TÍNH TOÁN CHU TRÌNH LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ LÀM GIÀU OXY .1 Giới thiệu hệ thống .2 Tính toán thời gian làm việc của chu trình .1 Xác định thành phần dòng khí nén trước khi vào chu trình PSA 46 3.2 Xác định thời gian tăng áp và thời gian bão hòa của một cột Zeolite 47 CHƯƠNG 4.
XÂY DỰNG THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ. 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 69 ii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Biến thiên nhiệt độ theo chiều cao các tầng khí quyển .2 Nhiệt kế đo nhiệt độ bầu ướt và nhiệt độ bầu khô của không khí .3 Các đường cơ bản để xây dựng đồ thị I.d đầy đủ được xây dựng ở áp suất khí quyển Pkq=760mmHg.5 Đồ thị t-d (psychrometric chart) được xây dựng ở áp suất 101,325kPa.7 So sánh các phương thức sản xuất oxy khác nhau trên thị trường cho các ứng dụng công nghiệp và y tế .8 Ứng dụng của khí Argon trong công nghệ hàn TIG .9 Ứng dụng của Nitơ trong công nghiệp .10 Tỉ lệ ứng dụng của oxi trong các ngành công nghiệp .11 Quy trình luyện thép và sơ đồ lò thổi oxy trong quá trình luyện thép để loại bỏ các tạp chất P, Mn, Si, S.1 Sự khác biệt giữa hấp phụ vật lí và hấp phụ hóa học về nhiệt hấp phụ và thay đổi tải lượng hấp phụ theo nhiệt độ.2 Tính chất chọn lọc hình dạng của vật liệu sàng phân tử cacbon.3 Phân bố kích thước mao quản của một số vật liệu hấp phụ.4 Cách xây dựng cấu trúc của Zeolite.5 Tại lượng hấp phụ khác nhau ở các nhiệt độ và áp suất khác nhau.6 Profile nồng độ pha khí ở trạng thái cân bằng tại đầu ra của bốn bước cơ bản .7 Thứ tự các bước làm việc của chu trình PSA cơ bản của Skarstrom .8 (a) Sơ đồ nguyên lí, (b) thứ tự hoạt động có sự điều chỉnh của chu trình Skarstrom là bước cân bằng áp suất.9 Sơ đồ hệ thống PSA ba hoặc bốn cột để phân tách không khí và chu trình hoạt động của 4 cột.10 Sơ đồ nguyên lý của một cột đơn, quy trình RPSA 3 bước .1 Sơ đồ nguyên lí làm việc của thiết bị làm giàu oxy .2 Biểu diễn biến thiên áp suất trong một chu kì làm việc của thiết bị làm giàu oxy .3 Sơ đồ tính toán thành phần dòng khí nén tại các thời điểm .4 Thành phần phần mol tương đối của dòng sản phẩm theo thời gian.1 Sơ đồ công nghệ hệ thống thiết bị làm giàu oxy .2 Máy nén khí dây đai Pegasus .3 Máy sấy khí tác nhân lạnh .4 Bộ lọc khí nén .5 Van điện từ điều khiển bằng dòng điện .7 Van một chiều .8 Cột hấp phụ .9 Bộ điều khiển PLC .10 Cấu trúc tổng quát của một PLC .11 Hệ thống thực nghiệm thiết bị làm giàu oxy tại Đại Học Bách Khoa Hà Nội .12 Đồ thị áp suất làm việc sản phẩm trong thực nghiệm 1 .13 Độ tinh khiết khí Oxy đạt 92,9% sau 15 phút làm việc ở thực nghiệm 1 .14 Đồ thị áp suất làm việc sản phẩm trong thực nghiệm 2 .15 Độ tinh khiết khí Oxy đạt 90,9% sau 15 phút làm việc ở thực nghiệm 2 .16 Đồ thị áp suất làm việc sản phẩm trong thực nghiệm 3 .17 Độ tinh khiết khí Oxy đạt 89,8% sau 20 phút làm việc ở thực nghiệm 3. 62 iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Thành phần của không khí khô theo thể tích .2 Độ cao ảnh hưởng đến nồng độ oxy .1: Phân biệt hấp phụ vật lí và hấp phụ hóa học .2 Đặc tính của một số loại Zeolite phổ biến .1 Áp suất làm việc khí Oxy ở thực nghiệm 1 .2 Thời gian làm việc của các van trong thực nghiệm 1 (giây) .3 Áp suất làm việc khí Oxy ở thực nghiệm 2 .4 Thời gian làm việc các van ở thực nghiệm 2 .5 Áp suất làm việc khí Oxy ở thực nghiệm 3 .6 Thời gian làm việc các van trong thực nghiệm 3.
TỔNG QUAN VỀ KHÔNG KHÍ 1.1 Thành phần không khí Khí quyển Trái Đất (không khí) là lớp các chất khí bao quanh hành tinh Trái Đất và được giữ lại bởi lực hấp dẫn của Trái Đất. Nhân loại hàng ngày sống và làm việc trong bầu khí quyển bao quanh mình. Bầu khí quyển bảo vệ cuộc sống trên Trái Đất bằng cách hấp thu các bức xạ tia cực tím của mặt trời và tạo ra sự thay đổi về nhiệt độ giữa ngày và đêm. Luôn luôn có sự tác động qua lại giữa bầu không khí và con người ví dụ như: trao đổi oxy và cacbonic; trao đổi nhiệt; làm phát sinh bụi và hơi độc….
Nó gồm có thành phần chủ yếu là Nitơ, oxy, với một lượng nhỏ Argon, cacbondioxit, hơi nước và một số chất khác (Error! Reference source not found. Thành phần hơi nước trong bầu khí quyển dao động mạnh thường trong khoảng 1%. Bầu khí quyển được chia làm năm tầng, nhiệt độ và tính chất của mỗi tầng biến đổi theo chiều cao tính từ mặt nước biển, bao gồm: Hình 1.1 Biến thiên nhiệt độ theo chiều cao các tầng khí quyển • Tầng đối lưu: từ bề mặt Trái Đất tới độ cao 7-17 km, phụ thuộc theo vĩ độ (ở 2 vùng cực là 7–10 km) và các yếu tố thời tiết, nhiệt độ giảm dần theo độ cao đạt đến -50 °C.