Nghiên cứu mô phỏng hệ thống tháp hấp phụ trong công nghệ sản xuất cồn nhiên liệu vận hành liên tục

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----------------------------------

PHẠM NGUYỄN KHÁNH DUY

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG HỆ THỐNG THÁP HẤP PHỤ
TRONG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CỒN NHIÊN LIỆU
VẬN HÀNH LIÊN TỤC

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT HĨA DẦU

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2011


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: .............................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1: ...................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2: ...................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG
Tp.HCM ngày … tháng … năm …
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1. ...............................................................................................................
2. ...............................................................................................................
3. ...............................................................................................................
4. ...............................................................................................................
5. ...............................................................................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

Bộ mơn quản lý chuyên ngành


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Tp. HCM, ngày 12 tháng 07 năm 2011

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

Phạm Nguyễn Khánh Duy

Phái: nam

Ngày, tháng, năm sinh:

04/10/1985

Nơi sinh: Sơng Bé

Chun ngành:

Kỹ thuật Hóa dầu

MSHV: 09400137

I – TÊN ĐỀ TÀI:

Nghiên cứu mô phỏng hệ thống tháp hấp phụ
trong công nghệ sản xuất cồn nhiên liệu vận
hành liên tục

II – NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Mô phỏng hệ thống tháp hấp phụ trong công nghệ sản xuất cồn nhiên
liệu.
- Khảo sát các yếu tố tác động đến q trình vận hành của hệ thống thơng
qua chương trình mơ phỏng.
III – NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: ngày 30 tháng 01 năm 2011
IV – NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ngày 12 tháng 07 năm 2011
V – CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS. HUỲNH QUYỀN

TS. HUỲNH QUYỀN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN

KHOA QL

LÝ CHUYÊN NGÀNH

CHUYÊN NGÀNH


LỜI CÁM ƠN
Trước tiên, em xin chân thành cảm ơn tiến sĩ Huỳnh Quyền, người đã
trực tiếp hướng dẫn và động viên em trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Nhờ
có sự giúp đỡ tận tình của thầy nên em có thể hồn thành luận văn này.
Em xin trân trọng cảm ơn các thầy cơ khoa Kỹ thuật Hóa học – trường
đại học Bách khoa – đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy
và trang bị cho em những kiến thức quý báu trong những năm học vừa qua.
Lời kế tiếp, em xin chân thành cảm ơn gia đình và những người bạn đã
động viên, chia sẻ, giúp đỡ nhiệt tình và đóng góp nhiều ý kiến quý báu hỗ trợ em
thực hiện luận văn.
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 07 năm 2011
Học viên thực hiện luận văn

Phạm Nguyễn Khánh Duy

i


ABSTRACT
Ethanol, which is produced from the fermentation process has been widely
used worldwide as a source of additional fuel for gasoline engines. Separation
ethanol from the mixture ethanol & water with the minimum cost is one of the

challenges. The distillation process can be applied in this case. However, this
process can not generate a high level of ethanol due to the presence of the
azeotrope. Alternative to distillation, adsorption technology has been applied. With
the use of this technology, the difficulty in separating ethanol from water has been
resolved.
The purpose of this study is to simulate the behavior of PSA adsorption
system in the production of fuel ethanol from a mixture of ethanol - water.
Adsorbent material is zeolite 4A. The simulation will be done based on
mathematical models. These models are built based on theory or gained from
empirical data of scientists in the world.
Matlab program is used to solve the set of partial differential equation and
implement the process simulation.
Differences between simulation results and experimental values are
unavoidable; and, those can easily be explained by the assumption when modeling.
Besides, the accuracy of the experimental parameters used in mathematical models
is also factors affecting the simulation results.

ii


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Ethanol được tạo ra từ q trình lên men đã được sử dụng rộng rãi trên thế
giới như là một nguồn nhiên liệu bổ sung cho các động cơ xăng. Thử thách trong
quá trình sản xuất ethanol nhiên liệu là việc tách ethanol ra khỏi hỗn hợp với nước
sao cho chi phí năng lượng là tối thiểu. Q trình chưng cất có thể được áp dụng
trong trường hợp này. Tuy nhiên, q trình này khơng thể tạo ra ethanol hàm lượng
cao từ hỗn hợp đẳng phí ethanol – nước. Thay thế cho q trình chưng cất, cơng
nghệ hấp phụ đã được áp dụng. Với việc sử dụng hệ thống hấp phụ vận hành liên
tục, khó khăn trong vấn đề phân tách triệt để ethanol ra khỏi hỗn hợp với nước đã
được giải quyết.

Nội dung đề tài luận văn này là mô tả hoạt động của hệ thống hấp phụ PSA
trong quá trình sản xuất ethanol nhiên liệu từ hỗn hợp ethanol – nước. Vật liệu hấp
phụ được sử dụng là zeolite 4A. Việc mô phỏng sẽ được thực hiện dựa trên các mơ
hình tốn học. Các mơ hình này được xây dựng trên cơ sở lý thuyết hoặc từ thực
nghiệm của các nhà khoa học trên thế giới.
Chương trình Matlab được sử dụng để giải hệ các phương trình vi phân đạo
hàm riêng và thực hiện quá trình mơ phỏng.
Sai số giữa kết quả mơ phỏng và các giá trị từ thực nghiệm là điều tất nhiên;
Điều này có thể dễ dàng được giải thích thơng qua các giả thiết khi xây dựng mơ
hình. Bên cạnh đó, độ chính xác của các thơng số thực nghiệm được sử dụng trong
mơ hình tốn học và phương pháp giải hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng cũng
là những yếu tố ảnh hưởng đến kết quả mô phỏng.

iii


MỤC LỤC
LỜI CÁM ƠN ............................................................................................................. i 
ABSTRACT

............................................................................................................ ii 

TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................... iii 
MỤC LỤC

............................................................................................................ iv 

DANH MỤC HÌNH ...................................................................................................vii 
DANH MỤC BẢNG................................................................................................. viii 
Chương 1: 

MỞ ĐẦU .............................................................................................1 

1.1 

Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...............................................2 

1.2 

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ......................................................................2 

Chương 2: 
2.1 

TỔNG QUAN ......................................................................................3 

HỆ THỐNG HẤP PHỤ PSA ........................................................................3 
2.1.1  Lịch sử phát triển ..........................................................................4 
2.1.2  Đặc điểm chung của hệ thống ......................................................5 
2.1.3  Ứng dụng ......................................................................................7 
2.1.4  Nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống ...................................8 

2.2 

CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC.....................................10 
2.2.1  Các nghiên cứu trong nước ........................................................10 
2.2.2  Các nghiên cứu ngoài nước ........................................................10 

Chương 3: 
3.1 

CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ ..................................13 

CHẤT HẤP PHỤ .......................................................................................13 
3.1.1  Than hoạt tính .............................................................................15 
3.1.2  Nhơm hoạt tính............................................................................16 
iv


3.1.3  Silica gel .....................................................................................16 
3.1.4  Zeolite .........................................................................................16 
3.2 

PHÂN LOẠI HẤP PHỤ .............................................................................18 

3.3 

NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ .................................19 
3.3.1  Nhiệt động lực học của pha bị hấp phụ ......................................19 
3.3.2  Cân bằng hấp phụ .......................................................................22 

3.4 

ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ .......................................................28 
3.4.1  Truyền nhiệt và truyền khối giữa các hạt và dòng lưu chất .......30 
3.4.2  Sự khuếch tán trong môi trường lỗ xốp ......................................31 

Chương 4: 
4.1 

MƠ PHỎNG THÁP HẤP PHỤ .........................................................39 

MƠ HÌNH TỐN HỌC ..............................................................................39 
4.1.1  Các kí hiệu ..................................................................................40 
4.1.2  Các định nghĩa ............................................................................42 
4.1.3  Các giả thiết ................................................................................43 
4.1.4  Phương trình cân bằng vật chất .................................................44 
4.1.5  Phương trình cân bằng năng lượng............................................49 
4.1.6  Phương trình cân bằng hấp phụ .................................................52 
4.1.7  Động học của quá trình hấp phụ ................................................52 
4.1.8  Độ tổn thất áp suất qua lớp đệm.................................................55 

4.2 

CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT ....................................................................55 
4.2.1  Thông số kỹ thuật ........................................................................55 
4.2.2  Điều kiện vận hành .....................................................................58 

v


4.3 

PHƯƠNG PHÁP GIẢI HỆ PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN ĐẠO HÀM

RIÊNG ...................................................................................................................59 
4.3.1  Chương trình Matlab - ver. 7.0(R-2010a) ..................................61 
4.3.2  Điều kiện đầu và điều kiện biên ..................................................65 
Chương 5: 

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ....................................................................66 

5.1 

Trạng thái chuyển tiếp khi khởi động hệ thống .........................................66 

5.2 

Phân bố hàm lượng nước và nhiệt độ theo chiều dài của lớp đệm ở giai

đoạn hấp phụ .........................................................................................................68 
5.2.1  Phân bố hàm lượng nước............................................................69 
5.2.2  Biến thiên nhiệt độ ......................................................................70 
5.3 

Khảo sát ảnh hưởng của các thơng số đối với q trình vận hành ...........70 
5.3.1  Nhiệt độ dòng nhập liệu ..............................................................71 
5.3.2  Hàm lượng nước trong dòng nhập liệu ......................................72 
5.3.3  Áp suất dòng nhập liệu ...............................................................73 

Chương 6: 

KẾT LUẬN ........................................................................................75 

Chương 7: 

KIẾN NGHỊ .......................................................................................76 

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................77 
PHỤ LỤC I: THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỤM HẤP PHỤ/GIẢI HẤP ........................80 

PHỤ LỤC II: THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỤM THU HỒI CỒN SAU QUÁ TRÌNH
GIẢI HẤP

...........................................................................................................83 

PHỤ LỤC III: THUẬT TỐN...................................................................................85 
PHỤ LỤC IV: MÃ CHƯƠNG TRÌNH ......................................................................95 

vi


DANH MỤC HÌNH
Hình 2-1. Sơ đồ hệ thống hấp phụ PSA .....................................................................3 
Hình 2-2. Mối quan hệ giữa cơng suất và chi phí của hệ thống ................................6 
Hình 3-1- Phân loại theo Brunauer .........................................................................24 
Hình 3-2. Đường cong hấp phụ dạng chữ S ............................................................27 
Hình 4-1. Cân bằng vật chất qua phân tố thể tích  ...............................................44 
Hình 4-2. Biến thiên áp suất theo thời gian ở mỗi tháp trong một chu kì ...............59 
Hình 5-1. Biến thiên nhiệt độ theo thời gian tại vị trí giữa tháp trong suốt quá trình
khởi động ...................................................................................................................67 
Hình 5-2. Biến thiên nồng độ nước trong dòng lưu chất tại vị trí đáy tháp theo thời
gian trong suốt q trình khởi động .........................................................................68 
Hình 5-3. Phân bố hàm lượng nước trong dịng lưu chất theo chiều dài tháp hấp
phụ .............................................................................................................................69 
Hình 5-4. Biến thiên nhiệt độ trong lớp đệm theo chiều dài tháp hấp phụ..............70 
Hình 5-5. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nhập liệu lên sự phân bố hàm lượng
nước theo chiều dài tháp ...........................................................................................72 
Hình 5-6. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng nước trong dòng nhập liệu lên sự
phân bố hàm lượng nước theo chiều dài tháp ..........................................................73 
Hình 5-7. Khảo sát ảnh hưởng của áp suất dòng nhập liệu lên sự phân bố hàm

lượng nước theo chiều dài tháp ................................................................................74 

vii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2-1. Lịch sử phát triển của hệ thống PSA .........................................................4 
Bảng 2-2. Một số ứng dụng của quá trình PSA .........................................................8 
Bảng 2-3. Chu trình hoạt động cơ bản của hệ thống PSA .........................................9 
Bảng 3-1. Tính chất và ứng dụng của một số chất hấp phụ ....................................17 
Bảng 3-2 Phân biệt quá trình hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học ..........................18 
Bảng 4-1. Kí hiệu tốn học ......................................................................................40 
Bảng 4-2. Cơng thức tính tốn hệ số hiệu chỉnh

.................................................48 

Bảng 4-3. Hệ số dùng tính tốn tính chất vật lý của dịng lưu chất ........................57 
Bảng 4-4. Mơ hình tốn học hệ thống tháp hấp phụ................................................60 
Bảng 4-5. Điều kiện đầu và điều kiện biên của bài tốn mơ phỏng ........................65 
Bảng 5-1. Thơng số vận hành của hệ thống cho quá trình khởi động .....................66 
Bảng 5-2. Thông số vận hành trong thời gian một chu kì .......................................68 
Bảng 5-3. Thơng số vận hành của hệ thống trong quá trình khảo sát ảnh hưởng của
các yếu tố...................................................................................................................71 
Bảng 5-4. So sánh phần mol nước trong dòng sản phẩm ở những điều kiện nhập
liệu với những nhiệt độ khác nhau ............................................................................72 
Bảng 5-5. So sánh phần mol nước trong dòng sản phẩm ở những điều kiện nhập
liệu với những nhiệt độ khác nhau ............................................................................73 

viii

Chương 1: MỞ ĐẦU
Việc phát hiện ra nguồn nhiên liệu truyền thống là một trong những bước
tiến vượt bậc của loài người. Dầu mỏ và những sản phẩm của dầu mỏ đã đóng góp
một phần quan trọng trong tất cả các lĩnh vực của đời sống đồng thời đảm bảo được
an ninh năng lượng cho các quốc gia trên thế giới.
Tuy nhiên, với sự phát triển không ngừng của xã hội, nhu cầu sử dụng nhiên
liệu ngày một tăng cao đã gây ra những tác động không nhỏ. Hiện nay, trữ lượng
nguồn nguyên liệu để sản xuất ra nhiên liệu truyền thống đang ngày càng cạn kiệt,
từ đó dẫn tới những biến động về giá cả trên thị trường nhiên liệu. Bên cạnh đó,
việc khai thác, chế biến và sử dụng nhiên liệu hóa thạch là một trong những nguyên
nhân dẫn tới sự ô nhiễm môi trường, hiệu ứng nhà kính, gây tác động to lớn đến
cuộc sống của cộng đồng.
Hiện nay, các quốc gia trên thế giới đặc biệt là những quốc gia có nguồn tài
nguyên về năng lượng bị hạn chế đã và đang nỗ lực tìm kiếm một giải pháp nhằm
từng bước hạn chế sự phụ thuộc vào nhiên liệu truyền thống, tránh nguy cơ khủng
hoảng về năng lượng đồng thời đảm bảo an ninh năng lượng của quốc gia. Ngoài ra,
nguồn năng lượng thay thế cũng phải giải quyết được bài tốn cấp bách về mơi
trường. Và một trong những nguồn năng lượng mới đang được chú ý hiện nay đó là
nhiên liệu sinh học. Các nước như Mỹ, Brazil, Trung Quốc, các nước châu Âu… là
những nhà tiên phong trong lĩnh vực nghiên cứu, phát triển, ứng dụng và thương
mại hóa nhiên liệu sinh học.
Hịa cùng xu thế phát triển chung của thế giới, Việt Nam cũng đang từng
bước triển khai các dự án sản xuất nhiên liệu sinh học nhằm đảm bảo ổn định nhu
cầu tiêu thụ nhiên liệu và giá thành sản phẩm trong nước. Hi vọng rằng, với những
nghiên cứu bước đầu sẽ tạo một động lực thúc đẩy ngành năng lượng nước nhà
ngày càng phát triển.

1

1.1 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Mục đích của đề tài nhằm mơ phỏng hệ thống tháp hấp phụ trong quy trình
sản xuất cồn nhiên liệu bằng máy vi tính. Dựa trên chương trình mơ phỏng này ta có
thể khảo sát, đánh giá các yếu tố tác động đến quá trình hấp phụ. Việc này giúp
giảm chi phí rất nhiều so với các q trình thực nghiệm. Bên cạnh việc hiểu rõ bản
chất của sự hấp phụ thơng qua q trình mơ phỏng, chương trình cũng có thể sử
dụng như một công cụ để thiết kế và tối ưu hóa các thơng số vận hành của hệ thống.
Hệ thống hấp phụ được đề cập là hệ thống loại PSA (Pressure Swing
Adsorption). Chất hấp phụ là zeolite A. Hệ này được dùng để tách nước ra khỏi hỗn
hợp etanol – nước.
Nội dung nghiên cứu bao gồm:
 Mô phỏng sẽ được thực hiện thơng qua chương trình Matlab.
 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động của hệ thống
hấp phụ thơng qua chương trình mơ phỏng.
 Kiểm chứng chương trình mơ phỏng thơng qua các số liệu thực tế từ
hệ thống công nghệ tại Trung tâm Cơng nghệ Lọc Hóa dầu – trường
đại học Bách khoa Tp.HCM.
1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng để tính tốn thiết kế và tối ưu hóa
hệ thống sản xuất cồn nhiên liệu bằng phương pháp hấp phụ.

2


Chương 2: TỔNG QUAN
2.1 HỆ THỐNG HẤP PHỤ PSA
Hệ thống hấp phụ loại PSA đã được phát minh vào năm 1930 bởi hai nhà
khoa học Finlayson và Sharp. PSA là viết tắt từ những chữ cái đầu tiên của cụm từ
“Pressure Swing Adsorption”. Hệ thống PSA bao gồm nhiều tháp hấp phụ hoạt

động song song. Trong đó, q trình hấp phụ và giải hấp được tiến hành luân phiên
trong mỗi tháp. Áp suất là yếu tố chính tác động đến tốc độ hấp phụ và giải hấp phụ
trong hệ thống PSA. Nội dung tài liệu chỉ đề cặp đến hệ thống PSA bao gồm 2 tháp
được biểu diễn như Hình 2-1.
Hình 2-1. Sơ đồ hệ thống hấp phụ PSA

(Nguồn: en.wikipedia.org/wiki/Pressure_swing_adsorption)

3


2.1.1 Lịch sử phát triển
Hệ thống hấp phụ PSA đã được phát minh từ rất sớm, vào những năm 1927 –
1930. Tuy nhiên, các ý tưởng này chưa được đưa vào ứng dụng mà chỉ nằm trên
giấy tờ, bao gồm:
 Một số đặc điểm của hệ thống được phát họa bởi Kahle.
 Các bằng phát minh của Hasche và Dargan; và bằng sáng chế của
Perley, Finlayson, và Sharp.
Mãi đến những năm 1957 – 1958, hệ thống này mới được áp dụng bởi
Skarstrom, Guerin de Montgareuil và Domine.
Những cột mốc lịch sử quan trọng trong quá trình phát triển của hệ thống
PSA được trình bày theo Bảng 2-1.
Bảng 2-1. Lịch sử phát triển của hệ thống PSA
Năm

Sự kiện

1930 – 1933

Bằng sáng chế đầu tiên về PSA được đăng kí bởi bởi Finlayson

và Sharp tại Anh; Hasche và Dargan tại Mỹ; và của Perley tại
Mỹ

1953 – 1954

Kahle đã đưa ra nguyên lí của hệ thống PSA và chi tiết quá
trình tách CO2, hydrocarbon và hơi nước ra khỏi khơng khí
bằng hệ thống này.

1955 – 1956

Zeolite tổng hợp được sản xuất trên quy mô công nghiệp.

1957 – 1958

-

Guerin de Montgareuil và Domine (công ty Air Liquide)
đăng kí bằng sáng chế về chu trình hoạt động của hệ thống
PSA.
Bằng sáng chế của Skarstrom (Viện nghiên cứu và cơng
nghệ Esso) về q trình rửa hấp phụ và sự ảnh hưởng của
tạp chất lên quá trình

1965 – 1970

Hệ thống hấp phụ PSA để làm sạch hydro được phát triển và
thương mại hóa

1970 – 1972

Sản xuất O2 bằng PSA trên quy mô công nghiệp

4


1972 – 1973
1976

Quá trình sản xuất N2 bằng PSA dựa trên chất hấp phụ CMS

1976 – 1980
1982

Lưới lọc phân tử cacbon được sản xuất rộng rãi

Sản xuất oxy sử dụng trong ngành y
Ứng dụng cho q trình phân tách khơng khí

(Nguồn: Douglas M. Ruthven, Shamsuzzaman Farooq, Kent S Knaebel
(1994). Pressure Swing Adsorption. VCH Publishers, Inc. ISBN 1-56081-517-5)
2.1.2 Đặc điểm chung của hệ thống
Đối với một q trình sản xuất nói chung và hệ thống PSA nói riêng, ta ln
chú ý đến các đặc điểm, bao gồm: chất lượng sản phẩm, cơng suất hệ thống, chi phí
sản xuất và đầu tư ...
 Chất lượng hay độ tinh khiết của sản phẩm
Hệ thống PSA có khả năng tạo ra các sản phẩm có độ tinh khiết cao.
Điều này rất khó đạt được đối với hệ thống chưng cất hay trích ly.
Yếu tố chính tác động đến chất lượng của sản phẩm là thành phần
dịng ngun liệu và tính chất của chất hấp phụ. Có hai loại sản

phẩm từ hệ thống PSA, đó là sản phẩm chính và sản phẩm phụ. Sản
phẩm chính là dòng lưu chất đã được tách các cấu tử khơng cần thiết.
Sản phẩm phụ là dịng lưu chất ra khỏi tháp trong quá trình rửa chất
hấp phụ.
 Sản lượng hay độ thu hồi sản phẩm
So với quá trình chưng cất hoặc trích ly thì PSA có độ thu hồi thấp
hơn. Sản lượng có thể tăng bằng cách tăng số lượng các tầng hấp phụ
và chu kì hoạt động. Tuy nhiên, việc này nâng cao chi phí đầu tư và
sản xuất nên khơng có lợi về mặt kinh tế.

5


 Chất hấp phụ
Chất hấp phụ sử dụng cho hệ thống PSA phải có độ chọn lọc cao đối
với các tạp chất.
Hình 2-2. Mối quan hệ giữa cơng suất và chi phí của hệ thống
PSA

Q trình

Chi phí tổng

Chi phí

PSA

Q trình

Chi phí vận hành

Q trình
PSA

Chi phí đầu tư

Cơng suất
(Nguồn: Douglas M. Ruthven, Shamsuzzaman Farooq, Kent S Knaebel
(1994). Pressure Swing Adsorption. VCH Publishers, Inc. ISBN 1-56081-517-5)
6


 Năng lượng
Như hầu hết các quá trình khác (chưng cất, trích ly, màng lọc, …)
hiệu quả sử dụng năng lượng của hệ thống PSA khơng cao. Thêm
vào đó, năng lượng được sử dụng trong PSA là năng lượng cơ học.
Nguồn năng lượng này có chi phí cao hơn dạng năng lượng nhiệt.
Do đó, chi phí năng lượng là một yếu tố cần được quan tâm trong
quá trình sản xuất của hệ thống PSA. Chi phí năng lượng của q
trình sẽ giảm đáng kể nếu dòng nguyên liệu đã ở trạng thái cao áp.
Trong trường hợp đó, chi phí đầu tư lẫn chi phí năng lượng cho hệ
thống sẽ được giảm bớt.
 Cơng suất và chi phí hệ thống
Đối với hầu hết các q trình, chi phí vận hành tăng tuyến tính theo
cơng suất của hệ thống. Riêng đối với hệ thống PSA thì hệ số góc
của đường quan hệ lớn hơn so với các quá trình khác. Điều này
nghĩa là nếu tăng cơng suất thì chi phí của q trình sản xuất của
PSA sẽ tăng nhiều hơn so với các q trình khác.
Đối với chi phí đầu tư ban đầu, mối quan hệ giữa hệ thống PSA và
công suất vẫn là đường thẳng. Nhưng đối với các quá trình khác, mối
quan hệ nói trên khơng cịn là tuyến tính. Như vậy, mối quan hệ giữa

chi phí tổng hợp (đầu tư và vận hành) so với công suất của hệ thống
PSA là tuyến tính cịn các q trình khác là phi tuyến. Các mối quan
hệ này được thể hiện như Hình 2-2. Do đó, hệ thống PSA chỉ nên
được xây dựng ở quy mơ cơng suất thấp đến trung bình.
2.1.3 Ứng dụng
Một số ứng dụng chính của q trình PSA trong sản xuất cơng nghiệp được
trình bày ở Bảng 2-1 và Bảng 2-2. Trong đó các ứng dụng chủ yếu của PSA là tách
và làm khơ khơng khí, sản xuất hydro tinh khiết, thu hồi cacbon di oxit, làm sạch

7


khí thiên nhiên, …. Trong các ứng dụng trên, ba ứng dụng đầu tiên (được đưa ra bởi
Skarstrom) vượt trội về mặt kinh tế. Lý do là độ thu hồi thấp của q trình khơng
cịn là yếu tố quan trọng khi nguồn ngun liệu có chi phí thấp.
Bảng 2-2. Một số ứng dụng của quá trình PSA
Quá trình

Sản phẩm

Chất hấp phụ

Thu hồi hydro từ khí thiên Hydro tinh khiết
nhiên

Cacbon hoạt tính hoặc
zeolite

Làm khơ

Khơng khí khơ

Nhơm oxit hoạt tính

Tách khơng khí

Oxi (và Argon)

Zeolite 5A

Tách khơng khí

Nito (và Argon)

CMS

Tách khơng khí

Nito và Oxi

Zeolite 5A hoặc CaX

Isosiv

Hydrocacbon mạch thẳng Zeolite 5A
hoặc mạch nhánh

Tách khí từ rác thải

Cacbonic và metan

CMS

2.1.4 Nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống
Một hệ thống PSA có nhiều chế độ vận hành khác nhau. Chế độ vận hành
đơn giản nhất bao gồm các bước sau:
Bước 1: Tăng áp
Bước 2: Nạp liệu ở áp suất cao, sản phẩm được tháo ra
Bước 3: Giảm áp
Bước 4: Giải hấp phụ ở áp suất thấp, kết hợp với quá trình rửa tháp
Bước 5: Cân bằng áp suất
Bước 6: Súc rửa tháp

8


Mỗi bước vận hành trên bao gồm nhiều chế độ hoạt động. Ảnh hưởng của
các chế độ hoạt động này đến từng giai đoạn vận hành của hệ thống được trình bày
như Bảng 2-3.
Bảng 2-3. Chu trình hoạt động cơ bản của hệ thống PSA
Giai đoạn

Tăng áp

Chế độ hoạt động

Đặc điểm

1. Tăng áp bằng dịng nhập Các cấu tử có độ hấp phụ kém sẽ
liệu

xuất hiện nhiều ở dòng sản
phẩm
2. Tăng áp bằng dòng sản Nâng cao độ tinh khiết và độ thu
phẩm sau quá trình hấp phụ hồi của dòng sản phẩm sau khi
hấp phụ
1. Sản phẩm được tháo ra ở Dòng sản phẩm ở trạng thái cao
áp suất không đổi
áp

Hấp phụ ở áp
2. Áp suất tháp được giảm Nâng cao độ thu hồi cấu tử kém
suất cao
dần trong q trình tháo sản hấp phụ, nhưng dịng sản phẩm
phẩm
ở áp suất thấp

Giảm áp

1. Chiều của dòng lưu chất Áp dụng trong trường hợp sản
được tháo ra ngược với dòng phẩm cần có độ tinh khiết cao.
nạp liệu
Việc tháo áp ngược chiều sẽ
ngăn cản các tạp chất lẫn vào
sản phẩm
2. Chiều của dòng lưu chất
được tháo ra cùng chiều với
dòng nạp liệu cho đến khi
tháp đạt áp suất trung bình

Áp dụng khi độ tinh khiết của

sản phẩm không quá cao.
Phương pháp này giúp tăng sản
lượng và độ thu hồi sản phẩm

1. Giải hấp phụ kết hợp rửa Giảm độ thu hồi sản phẩm. Nếu
với dòng sản phẩm sau khi được tiến hành ở áp suất chân
hấp phụ
khơng thì giảm sự mất mát sản
phẩm nhưng chi phí năng lượng
Giải hấp phụ ở áp
sẽ tăng.
suất thấp
2. Giải hấp phụ không kết Không tiêu tốn sản phẩm sau khi
hợp với quá trình rửa
hấp phụ
3. Hút chân không

Giữ được độ tinh khiết cho sản

9


phẩm. Hiệu quả đối với các cấu
tử có liên kết chặt với bề mặt
chất hấp phụ.

Cân bằng áp suất

Liên kết hai tháp trong q Bảo tồn năng lượng và cơng
trình hoạt động, một tháp có

áp suất cao và một tháp có
áp suất thấp.

Súc rửa

Lớp chất hấp phụ được rửa Tăng độ tinh khiết cho dòng sản
bởi dòng lưu chất các cấu tử phẩm sau khi rửa
dễ hấp phụ hơn

2.2 CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
2.2.1 Các nghiên cứu trong nước
Nhiều cơng trình nghiên cứu về nhiên liệu sinh học nói chung và bioethanol
nói riêng đã được tiến hành ở Việt Nam. Tuy nhiên, việc áp dụng phương pháp hấp
phụ để sản xuất cồn tuyệt đối chỉ mới được nghiên cứu ở Trung tâm Cơng nghệ Lọc
hóa dầu – trường đại học Bách khoa TpHCM. Kết quả nghiên cứu: đã chạy thành
cơng quy trình sản xuất cồn tuyệt đối ở quy mơ 10 lít/giờ, và chuẩn bị đưa vào chạy
thử nghiệm một quy trình khác với năng suất 4000 lít/giờ. Tiêu chuẩn đầu ra cho
sản phẩm là cồn 99,5%.
2.2.2 Các nghiên cứu ngồi nước
2.2.2.1 Mơ phỏng hệ thống hấp phụ loại PSA trong quy trình sản xuất cồn nhiên
liệu
Tài liệu tham khảo [15]
Đây là bài báo của tác giả Marian Simoa, Christopher J. Brownb và Vladimir
Hlavaceka, năm 2007. Tác giả áp dụng các mơ hình tốn học để mơ phỏng q trình
hấp phụ PSA. Mơ hình được xây dựng trên cơ sở dữ liệu từ thực tế và thư viện cơ
sở dữ liệu sẵn có. Kết quả nghiên cứu cung cấp kiến thức, sự hiểu biết về nhiệt động

10

lực học của quá trình hấp phụ PSA và các yếu tố ảnh hưởng đến các thông số vận
hành của hệ thống.
2.2.2.2 Sản xuất ethanol tinh khiết từ dung dịch đẳng phí bằng phương pháp
hấp phụ PSA
Tài liệu tham khảo [13].
Cơng trình nghiên cứu q trình tách ethanol ra khỏi hỗn hợp đẳng phí
ethanol - nước bằng phương pháp hấp phụ PSA. Mục đích của q trình nghiên cứu
là phân tích những dữ liệu động học và nhiệt động lực học của quá trình hấp phụ
hỗn hợp ethanol – nước trên zeolite A trong thiết bị tầng cố định. Trong đó, cơng
trình chú ý quan sát và phân tích ảnh hưởng của các yếu tố: nhiệt độ đầu vào của
nguyên liệu, nồng độ nguyên liệu và tốc độ nhập liệu. Kết quả cho thấy rằng: đường
đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir thì phù hợp với quá trình thực tế. Và, các yếu tố chính
ảnh hưởng đến tính hiệu quả của hệ thống hấp phụ PSA là: tốc độ nạp liệu, nồng độ
nguyên liệu, áp suất, và thời gian. Kết quả mô phỏng có thể được sử dụng để thiết
kế hệ thống PSA.
2.2.2.3 Mơ phỏng và thiết kế mơ hình của q trình hấp phụ
Tài liệu tham khảo [14]
Các tác giả sử dụng các phương trình tốn học để mơ hình hóa và mơ phỏng
hệ thống q trình hấp phụ một tầng cố định. Từ đó, họ xem xét các yếu tố tác động
đến hệ thống hấp phụ. Trong đó, các tác giả đề cập đến các mơ hình như: mơ hình
cân bằng, mơ hình Freundlich, mơ hình IAST (Ideal Adsorbed Solution Theory),
mơ hình động học.
2.2.2.4 Sản xuất ethanol nhiên liệu
Tài liệu tham khảo [9]
Bài báo trình bày về lịch sử hình thành và phát triển, cũng như tình hình sản
xuất ethanol trên thế giới (tính đến thời điểm 2003). Bên cạnh đó, tác giả cũng đề

11

cập đến các yếu tố liên quan đến quy trình sản xuất ethanol, như là: hiệu suất
chuyển hóa, q trình lên men, quá trình chưng cất và khử nước, nguyên liệu là mỡ
động vật, năng lượng sử dụng. Đặc biệt, tác giả phân tích các quy trình sản xuất và
hiệu quả của quá trình.
2.2.2.5 Sản xuất ethanol nhiên liệu khan bằng phương pháp hấp phụ PSA trên
quy mô pilot
Tài liệu tham khảo [12]
Bài báo trình bày quá trình sản xuất ethanol nhiên liệu bằng phương pháp
hấp phụ PSA với zeolite 3A. Năng suất của sản phẩm là 2000 lít/ngày ethanol
99,5% khối lượng. Thông số vận hành của hệ thống PSA là: lưu lượng nhập liệu (27
đến 62 Nm3/h cồn 93,2% khối lượng), nhiệt độ hấp phụ (130 đến 1400C), tỷ lệ thu
hồi, và áp suất hấp phụ (1,2 atm).
2.2.2.6 Mô phỏng quá trình hấp phụ và tách hỗn hợp ethanol – nước sử dụng
zeolite và cacbon nano
Tài liệu tham khảo [16]
Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu quá trình hấp phụ và phân tách hỗn hợp
ethanol – nước trên chất hấp thụ zeolite và Cacbon nano. Zeolite thì thích hợp cho
sự hấp phụ nước, cịn cacbon thì tốt hơn cho quá trình hấp phụ ethanol.

12


Chương 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ
Hấp phụ là q trình xảy ra khi một chất khí hay chất lỏng bị hút trên bề mặt
một chất rắn. Chất rắn ở trên bề mặt của nó xảy ra sự hấp phụ được gọi là chất hấp
phụ. Chất khí hay hơi bị hút và giữ trên bề mặt của chất hấp phụ được gọi là chất bị
hấp phụ. Những khí khơng bị hấp phụ được gọi là khí trơ. Quá trình ngược lại của
hấp phụ là quá trình giải hấp phụ hay nhả hấp phụ.
Hấp phụ được chia làm hai loại: hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học. Hấp phụ
vật lý là loại hấp phụ được hình thành do liên kết Van der Waals và lực điện từ nên

liên kết này rất yếu. Ngược lại, hấp phụ hóa học được tạo thành nhờ những liên kết
hóa học bền vững hơn so với hấp phụ vật lý.
3.1 CHẤT HẤP PHỤ
Chất hấp phụ là các chất rắn có khả năng hút các chất khác trên bề mặt của
nó. Các chất hấp phụ được chia làm nhiều loại, bao gồm:
 Theo nguồn gốc, chất hấp phụ được làm hai loại, đó là: chất hấp phụ
tự nhiên và chất hấp phụ tổng hợp.
 Theo thành phần, chất hấp phụ được chia làm 3 loại
o Hợp chất có chứa oxy: bề mặt có tính ưa nước và phân cực,
đặc trưng của loại này là silica gel và zeolites.
o Hợp chất có nguồn gốc cacbon: bề mặt chất hấp phụ có tính
kị nước và khơng phân cực. Điển hình của loại này là than
hoạt tính và graphite.
o Hợp chất polyme: khả năng phân cực của bề mặt chất hấp phụ
tùy vào các nhóm chức có trên đó.
Các chất hấp phụ được sử dụng trong cơng nghiệp có nhiều hình dạng khác
nhau, như là: viên cầu, hình que, hoặc theo một hình dạng nhất định nào đó. Kích
thước của các hạt này thường từ 0,5 đến 10 mm. Chất hấp phụ được sử dụng trong
13


cơng nghiệp phải đảm bảo một số tính chất nhất định, bao gồm: bền cơ học, chịu
mài mòn, bền nhiệt, diện tích bề mặt lớn, khả năng hấp phụ cao, …
Thơng số quan trọng nhất đó là diện tích bề mặt riêng. Thơng số này cho biết
diện tích bề mặt trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ. Đây là thông số được sử
dụng để đánh giá khả năng hấp phụ của một chất. Nếu chất hấp phụ có diện tích bề
mặt riêng càng lớn thì khả năng hấp phụ càng cao.
Tuy nhiên, khi tăng diện tích bề mặt riêng thì kích thước lỗ xốp của chất hấp
phụ sẽ giảm. Điều này làm giảm tốc độ khuếch tán của các phân tử khí (hoặc lỏng)
đến bề mặt chất hấp phụ. Do đó, bên cạnh diện tích bề mặt riêng người ta cũng phải

chú ý đến sự phân bố kích thước của lỗ xốp trong việc đánh giá khả năng hấp phụ
của một chất.
Theo IUPAC, người ta phân chia lỗ xốp ra thành ba loại, như sau:
 Lỗ xốp nhỏ: kích thước nhỏ hơn 20 Angstrom.
 Lỗ xốp trung bình: kích thước từ 20 Angstrom đến 500 Angstrom.
 Lỗ xốp lớn: kích thước lớn hơn 500 Angstrom.
Về mặt nhiệt động lực học, khi các phân tử nằm trong lỗ xốp nhỏ thì chúng
được xem như pha bị hấp phụ dù cho khơng hồn tồn bị dính trên bề mặt chất rắn
bởi vì trường lực của bề mặt chất rắn ln tác động đến các phân tử này ngay cả khi
chúng ở vị trí tâm của lỗ xốp. Ngược lại, đối với các lỗ xốp trung bình và lớn, các
phân tử sẽ không chịu tác động của trường lực bề mặt chất rắn cho đến khi chúng bị
hấp phụ trên bề mặt đó.
Tuy nhiên, theo quan điểm vừa trình bày, việc phân loại kích thước của lỗ
xốp theo IUPAC thì khơng chính xác. Trên thực tế, lỗ xốp nên được phân loại dựa
trên kích thước tương đối giữa lỗ xốp và kích thước (hoặc qng đường tự do trung
bình) của phân tử bị hấp phụ.
Dựa trên quan điểm động học của quá trình hấp phụ, chất hấp phụ được phân
làm hai nhóm chính: đơn cấu trúc và đa cấu trúc.
14