Nghiên cứu mô phỏng chế độ làm việc của thiết bị tạo n2 bằng nguyên lý hấp phụ

Các tính chất vật lý của không khí đồ thị I – x [1] Một hỗn hợp không khí và hơi nước được gọi là một hỗn hợp không khí ẩm được đặc trưng bởi các thông số sau: 1.2.1 Độ ẩm tuyệt đối của

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

1.3.1 Khí oxy 18

1.3.2 Khí nitơ 21

1.4 Các kỹ thuật phân tách khí nitơ 24

1.4.1 Kỹ thuật chưng cất phân đoạn không khí lỏng 24

1.4.2 Sử dụng kỹ thuật hấp phụ 25

1.4.3 Các kỹ thuật khác 27

1.4.4 Ứng dụng của nitơ trong đời sống 30

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ HẤP PHỤ 33

2.1 Hấp phụ và ứng dụng của hấp phụ 33

2.2 Cân bằng hấp phụ 34

2.3 Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ trong hệ khí rắn 37

2.3.1 Phương trình đẳng nhiệt Langmuir 37

2.3.2 Phương trình đẳng nhiệt Henry 39

2.4 Chu trình vận hành của cột hấp phụ và đường cong thoát 40

2.4.1 Chu trình vận hành của cột hấp phụ 40

2.4.2 Đường cong thoát của cột hấp phụ 45

2.5 Các yếu tố ảnh hưởng tới thiết kế một hệ thống hấp phụ 46

2.5.1 Vận tốc và đường kính cột hấp phụ 46

2.5.2 nh hưởng của thiết bị 47

2.5.3 nh hưởng của khí còn dư trên vật liệu hấp phụ 47

2.5.4 nh hưởng của hệ thống nhiệt độ 47

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

CHƯƠNG 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

CHƯƠNG 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

4.3 Mô phỏng quá trình làm việc của thiết bị tạo nitơ trên Aspen Adsorption 79

4.4 Kết quả mô phỏng 86

KẾT LUẬN 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

L I CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện đồ án này em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ hỗ trợ của thầy cô, bạn bè và gia đình Luận văn này được thực hiện và hoàn thành tại Bộ môn Máy và thiết bị h a chất – ầu khí Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến TS Đình Tiến người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo, khuyến khích giúp đỡ tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp

em hoàn thành luận văn này

Đồng thời c ng xin chân thành cảm ơn TS Nghiêm uân Sơn – ộ môn Quá trình thiết bị – NHH đã giúp đỡ và tạo điều kiện giúp đỡ về phần điều khiển để em hoàn thành luận văn

Em c ng xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong Bộ môn Máy và thiết bị H a chất – 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

DANH MỤC C C HIỆU VIẾT TẮT

ITM (Ion Transport Membrane): Vận chuyển ion qua màng

MTZ (Mass Transfer Zone): Vùng chuyển khối

TSA (Thermal Swing Adsorption): Chu trình hấp phụ thay đổi nhiệt

PSA (Pressure Swing Adsorption): Chu trình hấp phụ thay đổi áp suất DPA (Displacement Purge Adsorption): Chu trình thay thế chất bị hấp phụ CMS (Carbon Molecular Sieve): Rây phân tử Các - bon

DANH MỤC C C H NH ĐỒ TH

1 Hình 1.1 Đồ thị I-x của không khí ẩm tại áp suất khí quyển 760

2 Hình 1.2 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 Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý công nghệ vận chuyển ion qua màng sản

7 Hình 2.1 ác giai đoạn của quá trình hấp phụ của một phân tử lên

8 Hình 2 2 Sơ đồ cơ chế hấp phụ của Langmuir trên một mặt phẳng 40

9 Hình 2.3 nh hưởng của các yếu tố đến quan hệ đẳng nhiệt

10 Hình 2.4 Đường đẳng nhiệt hấp phụ của các khí trên vật liệu CMS 43

13 Hình 2.7 Dạng đường cong thoát phân bố nồng độ chất bị hấp phụ 48

15 Hình 2.9 nh hưởng của nhiệt độ lên cân bằng hấp phụ 55

TT NỘI DUNG TRANG

19 Hình 2.13 Chu trình làm việc 4 bước của công nghệ PSA 61

21 Hình 3.2 Lưới đỡ vật liệu ở đầu vào và đầu ra của cột hấp phụ 69

24 Hình 3.5 Hệ thống thực nghiệm thiết bị tạo nitơ bằng chu trình hấp

25 Hình 3.6 Kết quả thực nghiệm dòng nitơ c nồng độ trên 97 79

26 Hình 4.1 Sơ đồ dây chuyền công nghệ tạo khí nitơ PSA trong phần

27 Hình 4.2 Các thông số kỹ thuật của dòng vào F1 83

29 Hình 4.4 ài đặt các thông số hoạt động của các van trong bước 1 86

30 Hình 4.5 ài đặt các thông số kỹ thuật của cột hấp phụ 87

31 Hình 4.6 ài đặt các thông số kỹ thuật bên trong cột 1 87

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

DANH MỤC C C ẢNG

TRANG

1 Bảng 1.1 Thành phần của không khí theo thể tích 13

4 Bảng 2.1 Ứng dụng cụ thể cho một số vật liệu hấp phụ xốp điển

5 Bảng 2.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới vùng chuyển khối MTZ 46

6 Bảng 2.3 nh hưởng của vận tốc và đường kính tới cột hấp phụ 49

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 65

10 Bảng 3.3 Chu trình hoạt động bước 3 của các van 66

11 Bảng 3.4 Chu trình hoạt động bước 4 của các van 67

12 Bảng 3.5 Các thông số kỹ thuật của các van điện từ STNC 2 cổng

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

- Nghiên cứu tổng quan về các phương pháp sản suất nitơ

- Nghiên cứu tổng quan về cơ sở lý thuyết hấp phụ và ứng dụng

- Thiết lập mô hình toán và mô phỏng chế độ làm việc của thiết bị tạo nitơ bằng nguyên lý hấp phụ

- hế tạo quy mô pilot thiết bị tạo nitơ bằng nguyên lý hấp phu

- Đánh giá ảnh hưởng của các tham số mô hình đến quá trình làm việc của thiết

bị

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NITƠ

Trong không khí nitơ chiếm gần 78%, 20% là oxy và gần 2% là các khí khác Khí nitơ thường được d ng như khí trơ ở điều kiến thương vì vậy n được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như cơ khí h a chất, thực phẩm dược phẩm, quân sự… Ở qui mô lớn khi nitơ được phân tách từ không khí bằng kỹ thuật hóa lỏng và chưng cất phân đoạn, còn ở qui mô nhỏ và vừa khí nitơ thường được phân tách bằng sàng phân tử carbon theo chu trình hấp phụ thay đổi áp suất (PSA) Trong chương 1 nitơ trong không khí được tìm hiểu về các tính chất vật lý, hóa học và các kỹ thuật phân tách nitơ

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 CO2 Neon

Thành phần 78,084% 20,946% 0,934 % 390 ppm 18,18 ppm

Chất khí He CH4 Krypton H2 Hơi nước

Thành phần 5,24 ppm 1,745 ppm 1,14ppm 0,55 ppm Dao động 1%

1.2 Các tính chất vật lý của không khí đồ thị I – x [1]

Một hỗn hợp không khí và hơi nước được gọi là một hỗn hợp không khí ẩm được

đặc trưng bởi các thông số sau:

1.2.1 Độ ẩm tuyệt đối của không khí

Độ ẩm tuyệt đối của không khí là lượng hơi nước có trong 1 m3

không khí ẩm, về trị số thì bằng khối lượng riêng của hơi nước trong hỗn hợp không khí ẩm Kí hiệu là ρh

(kg/m3 )

1.2.2 Độ ẩm tương đối của không khí

Độ ẩm tương đối của không khí hay còn gọi là mức độ bão hòa hơi nước, là tỉ số

giữa lượng hơi nước chứa trong 1m3 không khí với lượng nước chứa trong 1m3 không

khí đ đã bão hòa hơi nước đã bão hòa ở cùng một nhiệt độ và áp suất kí hiệu là φ:

  1.2

h

bh

p p

 

Trong đ :

- h - khối lượng riêng của hơi nước trong 1m3

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

Khi lượng hơi nước trong hỗn hợp không khí tăng đến trạng thái bão hòa (ph =

1.2.4 Nhiệt lƣợng riêng của không khí ẩm

Nhiệt lượng riêng của không khí ẩm là tổng nhiệt lượng của không khí khô và hơi nước trong hỗn hợp:

I C t kkk x i.h

Trong đ :

- I nhiệt lượng riêng của không khí ẩm có hảm ẩm x:

- Ckkk – nhiệt dung riêng của không khí khô J/kg.độ , Ckkk = 1000 J/kg.0C

- t - nhiệt độ của không khí, 0C

- ih nhiệt lượng riêng của hơi nước ở nhiệt độ t, J/kg

 3  3  

1000 1,97.10 2493.10 1.4

I   x t x

1.2.5 Điểm sương

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 ướt

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

Thể tích không khí ẩm tính theo 1 kg không khí khô được tính theo công thức:

 3

, m / 1.5 bh

- R: hằng số khí đối với không khí thì R = 287 J/kg.K

- T: nhiệt độ của không khí, K

- P: áp suất chung của hỗn hợp không khí ẩm, N/m2

- φ.pbh = ph : áp suất riêng phần của hơi nước, N/m2

1.2.8 Khối lƣợng riêng của hỗn hợp không khí ẩm

Khối lượng riêng của hỗn hợp không khí ẩm bằng tổng khối lượng riêng của

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

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

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

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

ẩm Nếu trạng thái của không khí ở điểm 1 làm lạnh trong điều kiện xconstđến trạng thái 2 (điểm sương) trên đường bão hòa 1 Tiếp tục làm lạnh hỗn hợp khí này đến trạng thái 3 Một phần ẩm được tách ra (ngưng tụ lại thành những giọt sương m ) còn không khí bão hòa đi theo đường 1đến điểm 3 ứng với đường t3 = const Nếu ta đun n ng không khí ở điểm 3 trong điều kiện xconstđến điểm 4 bằng nhiệt độ ban

đầu t1 thì ta được một hỗn hợp không khí ẩm khô hơn hỗn hợp không khí ẩm ban đầu

x x Bằng cách như vậy ta có thể làm khô không khí Quá trình biến đổi trạng thái

từ 2-3 trên đường 1là mô tả quá trình làm khô

Hình 1.2 Quá trình làm lạnh và sấy khô không khí ẩm

1.3 Các tính chất vật lý của nitơ và oxy [16]

Việc hiểu biết về tính chất vật lý, tính chất hóa học của nitơ và oxy để nắm rõ được bản chất vật lý, hóa học của các khí này là cơ sở cho các quá trình phân tách chúng, nhằm để nghiên cứu các công nghệ sản xuất, vận hành dây chuyền, đạt được hiệu suất cao và an toàn trong sử dụng ưới đây sẽ tìm hiểu tính chất vật lý, tính chất hóa học của nitơ và oxy

1.3.1 Khí oxy

Kí hiệu hóa học là O là khí không màu c màu xanh dương nhạt khi hóa lỏng, phát sáng với ánh sáng xanh dương khi ở thể plasma Có 20.942% trong không khí; 50.5% từ trong các lớp khí quyển, thủy quyển, sinh quyển và thạch quyển Các tính chất cơ bản của oxy được thể hiện ở bảng 1.2

Bảng 1.2 Tính chất vật lý cơ bản của oxy

TÍNH CHẤT CHUNG

Tên, ký hiệu Ôxy, O

Hình dạng Khí không màu c màu xanh dương nhạt khi hóa lỏng, phát

sáng với ánh sáng xanh dương khi ở thể plasma

Mật độ 1,429 g/L(at 0 °C, 101.325 kPa) Mật độ ở thể lỏng ở nhiệt độ sôi: 1,141 g·cm−3 Điểm tới hạn 154,59 K, 5,043 Mpa

Nhiệt lượng nóng

chảy

(oxy) 0,444 kJ·mol−1

Nhiệt lượng bay hơi (oxy) 6,82 kJ·mol−1

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)

Năng lượng ion hóa

Thứ nhất: 1313,9 kJ·mol−1Thứ hai: 3388,3 kJ·mol−1Thứ ba : 5300,5 kJ·mol−1Bán kính liên kết

Vận tốc âm thanh (Thể khí, 27 °C) 330 m·s−1

Bảng 1.3 Các tính chất vậy lý cơ bản của nitơ

TÍNH CHẤT CHUNG

Tên, ký hiệu Nitơ N2

Hình dạng Không màu ở cả ba dạng khí, lỏng, rắn sẽ phát sáng với ánh

sáng tím khi ở dạng plasma

Khối lượng nguyên 14,0067(2)

Điểm tới hạn 126,19 K, 3,3978 MPa

Nhiệt lượng nóng chảy (nitơ) 0,72 kJ·mol−1

Nhiệt lượng bay hơi (nitơ) 5,56 kJ·mol−1

Nhiệt dung (nitơ) 29,124 J·mol−1·K−1

TÍNH CHẤT NGUYÊN TỬ

Trạng thái ôxi hóa 5, 4, 3, 2, 1, -1, -2, -3 Axít mạnh

Độ âm điện 3,04 (Thang Pauling)

Năng lượng ion hóa Thứ nhất : 1402,3 kJ·mol−1

Thứ hai : 2856 kJ·mol−1Thứ ba : 4578,1 kJ·mol−1Bán kính liên kết cộng

1.4 Các kỹ thuật phân tách khí nitơ [11], [15]

1.4.1 ỹ thuật chƣng cất phân đoạn không khí lỏng

Đây là công nghệ sản xuất chủ yếu nitơ và oxy trên thị trường hiện nay Sơ đồ công nghệ của chưng cất phân đoạn không khí lỏng được thể hiện đơn giản trên hình 1.3

Hình 1.3 Tháp chưng cất đôi sản xuất oxy nitơ

Không khí sau khi được nén làm sạch và làm lạnh tới gần nhiệt độ điểm sương được đưa vào tháp áp suất cao làm việc ở áp suất 6 atm pha hơi đi lên trên đỉnh tháp

áp suất cao có thành phần giàu nitơ được ngưng tụ bởi thiết bị trao đổi nhiệt đặt ở trên đỉnh tháp áp suất cao dòng hơi sau khi ngưng tụ thành pha lỏng thì tầm 60 được hồi lưu quay trở lại tháp áp suất cao và 40 được đưa qua van giảm áp và lên đỉnh của tháp áp suất thấp làm việc ở 1 4 atm như là dòng hồi lưu òng lỏng đi xuống tháp áp

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

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý công nghệ hấp phụ sản xuất khí nitơ oxy

Quá trình hấp phụ được dựa trên khả năng của một số vật liệu tự nhiên hay tổng hợp để ưu tiên hấp thụ nitơ hay ưu tiên hấp phụ oxy như zeolite than hoạt tính…Không khí đã được làm sạch nước và CO2 khi đi qua cột hấp phụ có chứa Zeo-lite, phân tử nitơ có sự hấp phụ mạnh hơn phân tử oxy và Ar, vì vậy nên nitơ được giữ lại và một dòng giàu oxy sẽ đi ra khỏi cột hấp phụ Đối với rây phân tử than hoạt tính lại ngược lại, vì rây phân tử cacbon hoạt tính c kích thước lỗ xốp tương tự như như không khí, các phân tử oxy c kích thước nhỏ hơn các phân tử nitơ vì vậy khi dòng không khí ở nhiệt độ nhất định đi qua lớp rây phân tử cabon thì các phân tử oxy nhanh chóng khuếch tán vào các lỗ xốp trống, kết quả là thu được một dòng khí giàu nitơ Vì vậy rây phân tử cacbon được chọn để hấp phụ oxy và Zeolite được chọn để hấp phụ nitơ

Dòng không khí sau khi được lọc làm sạch hơi nước và khí CO2 được nén đến áp suất thích hợp và được đưa qua cột có chứa chất hấp phụ là rây phân tử cacbon oxy được giữ lại và một dòng khí giàu nitơ được sản xuất cho đến khi cột hấp phụ đạt đến trạng thái cân bằng hấp phụ oxy Tại thời điểm này dòng không khí được chuyển qua cột còn lại, còn cột ban đầu thì được nhả hấp phụ để đưa về trạng thái làm việc ban đầu.Việc nhả hấp phụ có thể thực hiện được bằng cách làm nóng cột hấp phụ hoặc giảm áp suất trong cột hấp phụ, những việc trên làm giảm mất trạng thái cân bằng và khả năng giữ các phân tử oxy của Rây phân tử cacbon Phương pháp hấp phụ theo chu trình thay đổi nhiệt độ TSA (Thermal Swing Adsorption) còn phương pháp hấp phụ theo chu trình thay đổi áp suất gọi là PSA (Pressure Swing Adsorption) Phương pháp PSA thường được sử dụng vì chúng diễn ra nhanh ch ng đơn giản và dễ vận hành Quá trình này muốn đạt được hiệu quả cần có quá trình tiền xử lý dòng không khí trước khi vào cột hấp phụ để dễ dàng cho quá trình nhả hấp thụ

Nhược điểm của công nghệ này là chi phí vận hành tỉ lệ với kích thước của cột hấp phụ Vì vậy nếu để sản xuất một lượng lớn thì hệ thống này sẽ tốn kém hơn nhiều

so với phương pháp chưng cất phân đoạn không khí lỏng Đây chính là chuyên đề được lựa chọn để nghiên cứu công nghệ phân tách không khí tạo nitơ của luận văn

1.4.3 Các kỹ thuật khác

1.4.3.1 Sử dụng nguyên lý hấp thụ hóa học

Một số loại muối nóng chảy có khả năng hấp thụ khí oxy tại một nhiệt độ và áp suất nhất định Quá trình phân tách không khí bằng phương pháp này được quan tâm từ những năm 1990 Quá trình này được thực hện dựa trên sự hấp thụ oxy của dòng muối nóng chảy tuần hoàn và sau đ là quá trình giải hấp thụ bằng cách giảm áp suất và nhiệt độ của dòng muối Sơ đồ công nghệ được thể hiện trên hình 1.5 Không khí sau khi được qua bộ lọc để loại bỏ hơi nước và CO2 (vì cả hai chất này sẽ là giảm chất lượng hấp thụ oxy của dòng muối nóng chảy) được nén tới 185 psia và đi vào cột hấp thụ cho đến khi cột hấp phụ đạt được cân bằng, cột hấp thụ sau khi đạt được cân bằng thì được chuyển đi để giải hấp thụ bằng cách giảm nhiệt độ thông qua trao đổi nhiệt với dòng khí nitơ Dòng khí giàu oxy hơn ra khỏi cột hấp thụ được qua thiết bị trao đổi nhiệt với dòng không khí ban đầu Qua thiết bị trao đổi nhiệt, dòng khí đầu được làm nóng lên tới 4900C ÷ 6500C để vào tháp hấp thụ òng khí n ng đi từ dưới cột hấp phụ lên, dòng muối nóng chảy đi trừ trên xuống, hai pha khí lỏng tiếp xúc với nhau và oxy được hấp thụ và lấy ra khỏi dòng không khí Dòng muối lỏng đã hấp thụ khí oxy đi ra khỏi đáy tháp hấp thụ và trao đổi nhiệt với dòng muối lỏng nóng chảy từ tháp nhả hấp thụ thông qua thiết bị trao đổi nhiệt và sau đ giảm áp vào tháp nhả hấp thụ Trong tháp nhả hấp thụ, dòng khí giàu oxy đi lên trên đỉnh của tháp giải hấp thụ Trong khi dòng muối nóng chảy được lấy ra từ đáy tháp giải hấp thụ được bơm tăng áp vào thiết

bị trao đổi nhiệt rồi vào đầu tháp hấp thụ đ ng kín một chu kỳ

òng oxy n ng và nitơ n ng và qua thiết bị trao đổi nhiệt để làm nóng dòng không khí vào tháp hấp thụ, khí oxy ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt được nén và đưa vào bình áp lực để đem đi sử dụng òn khí nitơ sau khi đi ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt được d ng để giải hấp phụ cho quá trình tiền xử lý không khí

Hình 1.5 Sơ đồ công nghệ sản xuất nitơ bằng phương pháp hấp thụ

Ưu điểm của phương pháp này là dòng khí không cần nén áp suất lên cao như trong phương pháp chưng cất phân đoạn không khí lỏng, hệ thống được vận hành ở quy mô nhỏ và gọn

Nhược điểm của phương pháp này là dòng muối nóng chảy đã hấp thụ Oxy ở nhiệt độ cao có tính ăn mòn hệ thống thiết bị lớn đ là một trở ngại về kinh tế

1.4.3.3 Sử dụng nguyên lý vận chuyển ion qua màng (ITM)

ITM là vật liệu gốm oxit vô cơ rắn d ng để sản xuất oxy và nitơ theo phương pháp các Ion oxy được đi xuyên qua cấu trúc tinh thể gốm, còn các phân tử oxi thì được giữ lại Hệ thống này được vận hành ở nhiệt độ cao gần 5900

C Các phân tử oxy thì được chuyển thành các ion tại bề mặt của màng gốm và chúng được vận chuyển qua màng nhờ một chênh lệch áp điện và sự chênh lệch áp suất riêng phần tại hai bề mặt

Trao đổi nhiệt

Máy nén

Cột hấp phụ

Bộ lọc phụ Không khí

Trao đổi nhiệt

Máy nén

của màng Khi đi qua màng các phân tử ion oxy lại được cải cách thành phân tử oxy Vật liệu màng được chế tạo thành các dạng màng hay dạng ống

Đối với sự chuyển đổi năng lượng lớn, sự vận chuyển vật chất qua màng nhờ sự chênh lệch áp suất là phương pháp được lựa chọn Màng hoạt động nhờ sự chênh lệch

áp suất tại hai bề mặt là loại màng dẫn hỗn hợp vì chúng dẫn cả hai điện tử đi qua màng hai điện tử đ là ion oxy và electron Các ion oxy đi qua màng ITM với lưu lượng rất cao và rất tinh khiết, oxy được tách ra như một sản phẩm tinh khiết và nitơ

c ng được thu hồi trên bề mặt thấm của màng Sơ đồ công nghệ đơn giản để phân tách oxy và nitơ trong không khí được thể hiện như hình 1.6

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý công nghệ vận chuyển ion qua màng sản xuất khí nitơ oxy

Không khí qua bộ lọc và được nén sau đ vào thiết bị trao đổi nhiệt để trao đổi nhiệt với dòng sản phẩm, nhiệt độ dòng không khí sau khi ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt chưa đủ để vào hệ thống màng, vì vậy dòng không khí nóng cần được bổ sung nhiệt để vào hệ thống , không khí nóng vào hệ thống màng, oxy tinh khiết được thấm qua màng

và được lấy ra để trao đổi nhiệt với dòng không khí vào rồi được nén tới áp suất phân phối để đưa đi sử dụng trong các ứng dụng khác Dòng giàu nitơ trên bề mặt của màng

c ng được thu hồi để trao đổi nhiệt với dòng không khí vào và được đưa đi sử dụng, có thể mở rộng một hệ tubin để tạo điện năng từ dòng nitơ này

ác phương pháp trên trong công nghiệp, chủ yếu chỉ có thể thực hiện tại các nhà máy khí công nghiệp qui mô lớn Tuy nhiên các hệ thống đều 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 c nguồn cung cấp khí công nghiệp 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 Đây chính là công nghệ được nghiên cứu trong luận văn này

1.4.4.Ứng dụng của nitơ trong đời sống

Khí nitơ là khí phổ biến trong ngành công nghiệp hóa chất và thực phẩm Bởi vì

n là khí trơ Nitơ được sử dụng trong nhiều lĩnh vực với nhiều mục đích khác nhau trong sản xuất hóa chất, chế biến điều khiển và vận chuyển Do khả năng phản ứng của nó thấp nitơ là khí hoàn hảo để tạo lớp phủ trơ và thanh lọc, nó có thể được sử dụng để bảo vệ chất lượng sản phẩm khỏi các chất gây ô nhiễm độc hại, có thể dùng

để đẩy chất lỏng qua đường ống N c ng cho phép lưu trữ an toàn, sử dụng các hợp chất dễ cháy và ngăn chặn các vụ cháy nổ do bụi Khí nitơ còn được sử dụng để thanh lọc các chất gây ô nhiễm từ quá trình dòng qua các phương pháp tẩy rửa hay sục khí Nitơ d ng để sản xuất phân b n ure được ứng dụng trong sản xuất các chất dính, băng keo các bề mặt có các chất dính (băng keo) sẽ được rửa bằng nitơ Nitơ có tác dụng tẩy các chất kết dính đồng thời tẩy sạch các chất hóa học độc hại còn sót lại Kiểm soát khí/hơi dễ nổ là một điều cần thiết về an toàn trong quá trình hóa học Cách

an toàn nhất để ngăn chặn các vụ nổ là thay không khí bằng khí nitơ trơ Nhiều loại

bình cứu hỏa bình khô rất thích hợp cho sự kết hợp giữa lớp lửa A, B và C Chúng được bao phủ bởi bọt, bột, với khí nitơ nén

Trong ngành công nghiệp hàng không v trụ và máy bay nitơ được sử dụng trong các tuynen gió (là một thiết bị nghiên cứu khí động lực) với chuẩn số reynol cao Hệ thống thử nghiệm áp dụng ở nhiệt độ thấp, ETW có khả năng nâng cao độ chính xác

mô phỏng với các chuyến bay tốc độ cao trong điều kiện thực tế của máy bay vận tải hiện đại được xác định bởi số lượng mach và số reynolds Một dòng khí nitơ tinh khiết với nhiệt độ xuống tới - 163 ° được điều khiển thông qua các mạch khí động học khép kín của các đường hầm gió, chịu áp suất lên đến 4 5 bar và đi qua phần kiểm tra tốc độ lên đến phạm vi siêu âm thấp (M = 1,35)

Cắt bằng nitơ rất phổ biến trong việc cắt inox và nhôm Với hệ thống máy móc hiện đại độ chính xác cao nitơ được sử dụng rất nhiều để cắt laze Nitơ được sử dụng trong quá trình hàn laze giúp cho môi trường hàn ổn định, không bị rỗ tăng độ bám bề mặt Mối hàn không có chì, việc sử dụng nitơ giúp tăng nhiệt độ cho quá trình hàn, đồng thời kích hoạt mối hàn nhựa linh hoạt hơn Để giúp việc tôi thép được độ sáng như yêu cầu nitơ được sử dụng trong các lò Nhiệt độ lò càng cao độ tinh khiết của nitơ càng yêu cầu cao Trong sản xuất đồ trang sức, nếu miếng vàng tan chảy trong lò

có oxy, nó sẽ làm thay đổi màu sắc của vàng đồng thời giảm chất lượng vàng, vì vậy lò nung phải được điền đầy khí nitơ Trong xử lý nhiệt là phương pháp điều khiển nhiệt

độ của vật mà không làm thay đổi hình dạng của nó, quá trình này vật liệu dễ bị oxy hóa và cần được bảo quản bởi nitơ

Trong công nghiệp thực phẩm và đồ uống nitơ là một tác nhân quan trọng trong đông lạnh làm mát, làm lạnh và thực phẩm đông lạnh vì nhiệt độ cực lạnh của nó Ngâm lạnh trong nitơ lỏng là phương pháp đông lạnh nhanh nhất được biết đến với sản xuất riêng đông lạnh nhanh (IQF) thực phẩm Nitơ c ng đ ng một vai trò quan trọng trong việc làm giảm sự hư hỏng, tẩy màu, tạo hương vị và đ ng gói

Tạo bọt bia kết hợp sử dụng khí nitơ việc ngăn ngừa cacbonic thoát ra nhanh giúp uống bia có cảm giác ngon miệng và bọt bia rất mịn Nitơ được sử dụng rất rộng rãi trong việc bảo quản sản phẩm khỏi quá trình oxy hóa, enzim hóa và phản ứng của các

vi sinh vật vì nó là chất khí không màu không m i không hòa tan và không độc hại Trong quá trình đ ng chai rất nhiều khí oxy bị đẩy vào chai làm tăng quá trình oxy hóa Vì vậy người ta sử dụng nitơ để đẩy oxy ra ngoài và giúp bảo quản tốt hơn Trong bảo quản trái cây khí oxy và cacbonic trong môi trường lưu trữ được kiểm soát một cách ổn định để làm chậm quá trình thối rữa và hư hại quả Mức oxy được giảm bằng cách thay khí oxy bằng nitơ Nitơ là một lựa chọn hữu hiệu để mang lại lợi nhuận, ít tốn kém, thay thế cho các phụ gia để giảm thiểu sự sinh trưởng vi khuẩn ngăn chặn vi khuẩn tăng trưởng, làm giảm quá trình oxy hóa, bảo quản sản phẩm hương vị và kết cấu tăng thời hạn sử dụng sản phẩm

Trong công nghiệp dầu mỏ khí đốt, lọc hóa dầu, nitơ được sử dụng để bao phủ các bể lưu trữ và thổi sạch sấy khô các đường ống dẫn nitơ c ng c thể loại bỏ hợp chất hữu cơ dễ bay hơi O ( olatile Organic ompounds) từ quá trình hóa học và dòng nước thải, và giảm lượng khí thải O để tăng khả năng dự trữ và bẻ gãy hydro-carbon giúp phát triển việc sản xuất dầu khí đốt và nâng cao hiệu quả hoạt động

Để tránh khả năng gây nổ trong thùng nhiên liệu nitơ được sử dụng để phủ các khoảng trống của bồn Trên các giàn khoan xa bờ không khí được thay bởi khí trơ nitơ

để loại bỏ oxy giúp làm chậm quá trình oxy h a và ngăn cháy nổ Nitơ được d ng để phun ép lại các giếng dầu đã cạn Ngoài việc tăng năng suất khí nitơ trơ không gây x i mòn trong thành lỗ khoan

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ HẤP PHỤ

2.1 Hấp phụ và ứng dụng của hấp phụ [4], [10]

Hấp phụ: Là hiện tượng tăng nồng độ của chất bị hấp phụ lên bề mặt chất hấp phụ Chất đã bị hấp phụ chỉ tồn tại trên bề mặt chất rắn (chất hấp phụ), không phân bố đều khắp trong toàn bộ thể tích chất hấp phụ nên còn gọi là quá trình phân bố 2 chiều Điều này khác với quá trình hấp thụ: chất bị hấp thụ sau khi được làm giàu phân bố đều khắp trong thể tích chất hấp thụ

Bảng 2.1 Ứng dụng cụ thể cho một số vật liệu hấp phụ xốp điển hình

Silicagel

- Sấy khô các khí, tách nhân lạnh, dung

môi hữu cơ dầu máy biến áp;

- Khử ẩm trong đ ng g i và cửa kính hai lớp;

- Điều chỉnh điểm đọng sương trong chế

biến khí thiên nhiên

Oxit nhôm hoạt tính

- Sấy khô các khí, tác nhân lạnh, dung

môi hữu cơ dầu máy biến áp;

- Loại bỏ HCL trong khí hydro;

Quá trình Alkyl hóa

Than hoạt tính

Phân tách nitơ từ không khí;

- Phân tách hydro từ khí tổng hợp và quá trình hydro hóa;

- Phân tách ethylene từ methane and dro;

hy-Than hoạt tính

- Tách vinyl chloride monomer (VCM)

từ không khí;

- Khử mù trong các khí;

- Thu hồi hơi dung môi;

- Loại bỏ SOx và NOx;

- Phân tách Amoniac và hydro;

- Thu hồi CO2;

- Phân tách oxy và Ar;

- Loại bỏ acetylene, propane và butane từ không khí;

- Phân tách xylenes và ethyl benzene;

- Phân tách olefin và và các hợp chất thơm

2.2 Cân bằng hấp phụ [4]

Hấp phụ là một quá trình gồm nhiều giai đoạn nối tiếp nhau:

- Giai đoạn 1: Phân tử chất bị hấp phụ được vận tải đến lớp biên do dòng đối lưu trong pha liên tục hoặc khuếch tán do sự chênh lệch nồng độ giữa pha liên tục

và nồng độ của lớp biên

- Giai đoạn 2: Phân tử chất bị hấp phụ khuếch tán qua chiều dày lớp biên

- Giai đoạn 3: Phân tử chất bị hấp phụ được vận tải từ bề mặt ngoài vào sâu bên trong không gian các mao quản do chênh lệch nồng độ giữa bề mặt ngoài và nồng độ bên trong mao quản

- Giai đoạn 4: Các phân tử bị hấp phụ và chiếm chỗ trên mặt vật liệu hấp phụ do các tương tác giữa phân tử và bề mặt

Hình 2.1 ác giai đoạn của quá trình hấp phụcủa một phân tử lên bề mặt bên trong

của vật liệu xốp

Khi xét đến yếu tố động học, tức là xét đến tốc độ của quá trình Tuy nhiên với một quá trình gồm nhiều giai đoạn nối tiếp nhau như quá trình hấp phụ thì giai đoạn nào chậm nhất sẽ quyết định vận tốc chung của quá trình o giai đoạn hấp phụ và nhả hấp phụ vật lý có tốc độ rất nhanh để đạt tới trạng thái cân bằng so với các giai đoạn còn lại nên động học của quá trình hấp phụ thường bị quyết định sự khác nhau về tốc

độ khuếch tán của các cấu tử trong giai đoạn vận tải ngoài và vận tải trong

Do hấp phụ vật lý là một quá trình thuận nghịch, nên công suất cực đại của vật liệu hấp phụ sẽ không bao giờ được sử dụng trong tính toán Để có thể đánh giá công suất trong các điều kiện thực thì điều đầu tiên và quan trọng nhất là phải có thông tin

về trạng thái cân bằng hấp phụ ét trường hợp một cấu tử nguyên chất tiếp xúc với một vật liệu rắn xốp Các phân tử của cấu tử này sẽ bị hấp phụ vật lý lên bề mặt vật rắn

và sau thời gian đủ dài sẽ đạt đến một trạng thái cân bằng pha giữa vật liệu hấp phụ và cấu tử bị hấp phụ bao quanh nó Trạng thái cân bằng hấp phụ là một khái niệm động, khi ở trạng thái này tốc độ hấp phụ và tốc độ nhả hấp phụ là như nhau hay n i theo cách khác là có bao nhiêu phân tử bị nhả hấp phụ thì sẽ có bấy nhiêu phân tử hấp phụ lên bề mặt để duy trì lượng phân tử đã bị hấp phụ trên bề mặt là không đổi Công suất của vật liệu hấp phụ được xác định dựa trên quan hệ giữa ba đại lượng:

- Nồng độ C hoặc áp suất riêng phần p của cấu tử đã bị hấp phụ trong pha khí (với C= n/V= p/RT)

- Tải lượng hấp phụ q tính theo lượng cấu tử đã bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng (hoặc đơn vị thể tích) của vật liệu hấp phụ

- Nhiệt độ của hệ T

Tùy theo cách biểu diễn quan hệ toán học giữa các đại lượng này, chúng ta có các quan hệ cân bằng khác nhau:

- Quan hệ đẳng nhiệt hấp phụ (adsorption isotherm): q = f(C) với T = const

- Quan hệ đẳng áp hấp phụ (adsorption isobar): q = f (T) với p = const

- Quan hệ đẳng khối hấp phụ (adsorption isostere): p = f (T) với q = const

Nhiệt độ và áp suất ảnh hưởng đến tải lượng hấp phụ q Ở cùng một nhiệt độ, q sẽ tăng khi áp suất p tăng và ở cùng một áp suất q sẽ giảm nhanh khi tăng T Nếu biểu diễn quan hệ đẳng tích hấp phụ dưới dạng lnp và 1/T thì quan hệ này luôn là đường thẳng với bất kỳ hệ hấp phụ nào độ dốc của đường thẳng này chính là nhiệt hấp phụ

2.3 Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ trong hệ khí rắn [4]

Trong luận văn này sử dụng phương trình Langmuir để mô phỏng nên, luận văn

sẽ đi tìm hiểu kĩ đường đẳng nhiệt hấp phụ theo Langmuir

2.3.1 Phương trình đẳng nhiệt Langmuir

Theo quan điểm động học Langmuir đã đề xuất một lý thuyết về sự hấp phụ đơn

lớp lên một bề mặt phẳng Theo cách tiếp cận này, quá trình hấp phụ xảy ra liên tục với

các phân tử bị hấp phụ liên tục bám vào bề mặt bằng với các phân tử nhả hấp phụ

(hoặc bốc hơi) khỏi bề mặt để duy trì tốc độ tích tụ các phân tử lên bề mặt bằng không

ở trạng thái cân bằng Lý thuyết của Langmuir dựa trên các giả thuyết cơ bản sau:

- Bề mặt là đồng nhất năng lượng hấp phụ là như nhau đối với tất cả các vị trí

trên bề mặt

- Sự hấp phụ của các phân tử hoặc nguyên tử lên bề mặt luôn ở các vị trí xác

định

- Mỗi vị trí hấp phụ chỉ có thể thu nhận một phân tử hoặc nguyên tử

Theo lý thuyết động học đối với khí lý tưởng, các phân tử khí luôn chuyển động

hỗn loạn, nên khi tiếp xúc với một bề mặt thì số phân tử khí va chạm vào bề mặt trong

một giây là 0,25nv, với n là số phân tử có trong một đơn vị thể tích và v là vận tốc

trung bình của phân tử o đo nếu định nghĩa tốc độ va chạm vào bề mặt Rs là sô mol

khí va chạm vào bề mặt trong một đơn vị thời gian và trong một đơn vị thể tích thì theo

lý thuyết động học có thể tính Rs theo công thức:

  2.12

s

s

P R

MR T





Trong đ P là áp suất tuyệt đối; M là phân tử lượng, Rs là hằng số khí và T là

nhiệt độ

Hình 2.2 Sơ đồ cơ chế hấp phụ của Langmuir trên một mặt phẳng

Trên thực tế ngay ở áp suất rất thấp, tốc độ va chạm vào bề mặt c ng rất lớn (ở áp

suất p = 1mmHg vẫn có 4.1017 phân tử/cm2.s) Khi một phân tử va chạm vào bề mặt sẽ

xảy ra ba khả năng: Phân tử bị hấp phụ - ngưng đọng và bị giữ tại một vị trí xác định

trên bề mặt; Nhả hấp phụ - Phân tử ngưng đọng rồi bốc hơi ngay lập tức; Phân tử bị va

chạm với một vị trí bề mặt đã bị chiếm giữ bởi một phân tử khác nên bị bật trở lại

(giống tia phản xạ từ mặt gương) ì vậy Langmuir đưa thêm hai hệ số là: hệ số bám

dính α (để tính đến những va chạm hiệu quả mà phân tử có thể bám dính trên bề mặt)

và độ che phủ bề mặt  q q/ 0 là tỷ số giữa tải lượng hấp phụ cân bằng q với tải lượng

hấp phụ cực đại ở chế độ đơn lớp q0 o đ phần bề mặt chưa bị che phủ sẽ là (1-θ) và

hấp phụ kd và nó phụ thuộc vào nhiệt độ theo quan hệ Arrhenius nên có thể viết:

 

(k e ) 2.3

d g

Với kd là hằng số tốc độ nhả hấp phụ ở nhiệt độ T bằng vô cùng và Ed là năng lượng hoạt hóa của quá trình nhả hấp phụ Đối với hấp phụ vật lý không c ngưỡng năng lượng cho qua trình hấp phụ nên năng lượng hoạt hóa của quá trình nhả hấp phụ

Ed với nhiệt hấp phụH Ở trạng thái cân bằng hấp phụ, tốc độ hấp phụ bằng tốc độ nhả hấp phụ nên kết hợp các phương trình (2-2) và (2-3) để thu được:

Trong đ phương trình (2-4) là phương trình đẳng nhiệt Langmuir và KL là hằng

số cân bằng hấp phụ hay là hằng số Langmuir Hằng số cân bằng hấp phụ chính là tỷ số giữa hằng số tốc độ hấp phụ ka với hằng số tốc độ nhả hấp phụ kd và được xác định theo (2-5) Hằng số K thể hiện ái lực hấp phụ của phân tử lên bề mặt, nó tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của nhiệt độ và khối lượng phân tử Ở một áp suất đủ lớn độ che phủ

bề mặt θ sẽ tiệm cận giá trị bằng 1, hay nói một cách khác là khi đ toàn bộ bề mặt sẽ

bị che phủ hoàn toàn bởi một đơn lớp của các phân tử bị hấp phụ nh hưởng của giá trị KL nhiệt độ T và nhiệt hấp phụ ∆H đến đường đẳng nhiệt hấp phụ Lanmuir được thể hiện trên hình 2.3

2.3.2 Phương trình đẳng nhiệt Henry

Theo cách tiếp cận của Langmuir thì phương trình đẳng nhiệt Henry có thể xem

là một trường hợp riêng khi mà ở áp suất thấp (KP << 1), mức độ che phủ bề mặt sẽ hoàn toàn tỷ lệ tuyến tính với áp suất nên phương trình đẳng nhiệt Henry hay còn gọi là phương trình đẳng nhiệt tuyến tính có dạng:

θ = KHP (2-6)

Trong đ KH gọi là hằng số Henry

Hình 2.3 nh hưởng của các yếu tố đến quan hệ đẳng nhiệt Langmuir

2.4 Chu trình vận hành của cột hấp phụ và đường cong thoát [14], [15] 2.4.1 Chu trình vận hành của cột hấp phụ

Đối với các loại vật liệu hấp phụ, trạng thái cân bằng của chúng đã được các nhà sản xuất công bố Dữ liệu cân bằng này thường là đường cân bẳng đẳng nhiệt hấp phụ, cân bằng này là mối quan hệ giữa nồng đồ hay áp suất riêng phần của pha khí với pha rắn (là vật liệu hấp phụ) Tại hình 2.4 là một ví dụ hấp phụ các loại khí bằng vật liệu hấp phụ CMS… chỉ ra rằng nồng độ của chất hấp phụ là một hàm toán học của áp suất riêng phần của khí bị hấp phụ và nhiệt độ của hệ Kết quả chỉ rõ ra rằng các yếu tố tác động mạnh mẽ đến một hệ hấp phụ là nhiệt độ và nồng độ chất bị hấp phụ