Thiết kế hệ thống đo và điều khiển để nghiên cứu và tối ưu hóa thiết bị tạo khí nitơ sử dụng chu trình hấp phụ áp suất thay đổi

Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 269
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỂ NGHIÊN CỨU 
VÀ TỐI ƯU HÓA THIẾT BỊ TẠO KHÍ NITƠ SỬ DỤNG CHU TRÌNH 
HẤP PHỤ ÁP SUẤT THAY ĐỔI 
Phạm Văn Chính1*, Nguyễn Tuấn Hiếu1, Lê Quang Tuấn2, Vũ Đình Tiến
3
Tóm tắt: Ngày nay, bộ điều khiển lập trình logic (PLC) và hệ thống điều khiển 
giám sát và thu thập số liệu (SCADA) đã được ứng dụng rộng rãi để điều khiển và 
giám sát các máy và thiết bị trong công nghiệp điện, hóa chất và dầu khí. Chúng 
cũng được sử dụng để đo các thông số kỹ thuật, thu thập số liệu thực nghiệm và 
điều khiển các cơ cấu chấp hành. Trong bài báo này, một bộ PLC S7-300 của 
Siemen và SCADA đã được áp dụng để thiết kế một hệ thống điều khiển cho thiết bị 
tạo khí nitơ ở qui mô pilot sử dụng chu trình hấp phụ thay đổi áp suất (PSA). Thiết 
bị này đã được chế tạo tại Viện Công nghệ - Tổng cục Công nghiệp quốc phòng để 
nghiên cứu mô phỏng và tối ưu hóa chế độ làm việc. 
Từ khóa: Lập trình logic (PLC); Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập số liệu (SCADA); Chu trình hấp 
phụ thay đổi áp suất (PSA); Sàng phân tử cacbon (CMS); Hấp phụ; Nitơ. 
I. ĐẶT VẤN ĐỀ 
 Khí nitơ (N2) có thể xem như một khí trơ để sử dụng trong các lĩnh vực công nghiệp cơ 
khí, hóa chất, thực phẩm, dược phẩm, quân sự. Ở qui mô lớn, khí nitơ được phân tách từ 
không khí bằng kỹ thuật hóa lỏng và chưng phân đoạn. Ở qui mô nhỏ và vừa khí nitơ 
thường được phân tách bằng sàng phân tử carbon (CMS) và chu trình hấp phụ thay đổi áp 
suất (PSA) ở áp suất thấp. Kỹ thuật này cho phép để phân tách một số cấu tử khí từ một 
hỗn hợp khí dưới điều kiện áp suất theo sự khác nhau về kích thước phân tử và ái lực của 
chúng đối với một vật liệu hấp phụ thích hợp [1-4-11]. 
 Sản suất N2 theo chu trình hấp phụ áp suất thay đổi dựa trên đặc tính hấp phụ chọn lọc 
của sàng phân tử cacbon (Carbon Molecular Sieves - CMS). Về cơ bản nó cũng là một loại 
than hoạt tính, tuy nhiên miền phân bố kích thước mao quản rất hẹp nên có khả năng hấp 
phụ chọn lọc theo kích thước phân tử. Phần lớn CMS trên thị trường hiện nay được tạo ra 
từ nguyên liệu than antraxit với một quá trình hoạt hóa có kiểm soát. Cấu trúc mao quản 
sau đó có thể tiếp tục thay đổi bởi một quá trình xử lý nhiệt tiếp theo, bao gồm việc 
cracking các hydrocarbon trong hệ vi mao quản và khí hóa thêm một phần trong các điều 
kiện kiểm soát nghiêm ngặt. Nhờ đó, sàng phân tử carbon thu được có đường kính mao 
quản hiệu dụng trong khoảng từ 0,4 nm đến 0,9 nm, tuy nhiên độ xốp và dung lượng hấp 
phụ sẽ thấp hơn so với các loại than hoạt tính thông thường [1-4-11]. 
Hình 1. Cơ chế hấp phụ chọn lọc của CMS. 
Hóa học – Sinh học – Môi trường 
 P. V. Chính, , V. Đ. Tiến, “Thiết kế hệ thống đo và  hấp phụ áp suất thay đổi.” 270 
 Để phân tách nitơ, thường sử dụng loại CMS có đường kính lỗ mao quản là 4Å. Vì vậy, 
khi dòng không khí với áp suất thích hợp đi qua lớp vật liệu CMS thì phân tử O2 với kích 
thước phân tử là 3,9 x 2,8 Å sẽ đi vào trong mao quản và bị giữ lại, còn các phân tử N2 
với kích thước phân tử là 4,1 x 3,0 Å sẽ đi qua, như vậy sẽ thu được N2 với nồng độ cao 
[4]. Đặc tính hấp phụ chọn lọc CMS được minh họa như hình 1. 
Trong nghiên cứu xây dựng mô hình thiết bị thí nghiệm và mô phỏng thiết bị tạo khí N2 
theo chu trình hấp phụ áp suất thay đổi (PSA) và vật liệu sàng phân tử cácbon (CMS), để 
đạt được kết quả nghiên cứu chính xác và nhanh chóng rất cần phải nghiên cứu, thiết kế bộ 
điều khiển lập trình logic (PLC) và hệ thống điều khiển giám sát và thu thập số liệu 
(SCADA) phức tạp để đo đạc, khảo sát và nghiên cứu các thông số làm việc và diễn biến 
của quá trình [2-3-8]. 
Ở trong nước, tại Viện Công nghệ - Tổng cục Công nghiệp quốc phòng và Bộ môn 
Máy và thiết bị công nghiệp hóa chất đã phối hợp thiết kế, chế tạo thiết bị tạo khí N2 từ 
không khí bằng sàng phân tử các bon (CMS-240) làm việc theo chu trình hấp phụ áp suất 
thay đổi để nghiên cứu và tối ưu hóa thiết bị. Đồng thời thiết bị này đã được nghiên cứu, 
thiết kế hệ thống điều khiển PLC và hệ thống giám sát SCADA mục đích để điều khiển 
chế độ, thông số làm việc của thiết bị theo đúng chu trình công nghệ và đo đạc thu thập và 
xử lý số liệu, nghiên cứu quy luật của quá trình hấp phụ một cách tự động để mô phỏng và 
tối ưu hóa chế độ làm việc của thiết bị [1]. 
II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 
Thiết kế hệ thống điều khiển PLC và SCADA cho thiết bị tạo khí N2 từ không khí 
bằng sàng phân tử cácbon (CMS) theo chu trình hấp phụ áp suất thay đổi (PSA) được thực 
hiện trên cơ sở và phương pháp sau: 
Thiết bị tạo khí N2 đã được chế tạo và vật liệu sàng phân tử CMS-240 đã lựa chọn 
[1]: thông số tính toán, nguyên lý làm việc theo các sơ đồ công nghệ PFD và sơ đồ thiết bị 
đo lường P&ID. Từ đó nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển PLC và SCADA. 
Chạy thử thiết bị, nhập xuất số liệu nghiên cứu quy luật và tối ưu hóa thiết bị hấp phụ 
đã được thiết kế, chế tạo. 
III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 
3.1. Sơ đồ công nghệ và nguyên lý làm việc 
Chu trình làm việc của thiết bị tạo khí N2 bao gồm 6 bước (ví dụ:áp suất làm việc 
của hệ thống đặt 6 bar) [1-8-11-12-13-14] được mô tả ở hình 2. 
Hệ thống PSA được nghiên cứu mô phỏng tính toán, thiết kế theo [1] và làm việc theo 
bảng 1. 
Bảng 1. Trạng thái hoạt động của các van điều khiển trong một chu trình làm việc. 
Thời gian/Trạng thái 
van điều khiển 
T1 T2 T3 T4 T5 
V1 1 1 0 0 0 
V2 0 0 0 1 1 
V3a,b 0 0 1 0 0 
V4 0 0 0 1 1 
V5 1 1 0 0 0 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 271
V6a,b 0 0 1 0 0 
V7 0 1 0 0 0 
V8 0 0 0 0 1 
Hình 2. Sơ đồ công nghệ PFD hệ thống tách khí N2 từ không khí theo PSA. 
3.2. Sơ đồ P&ID (Sơ đồ công nghệ và thiết bị đo lường) 
Hình 3. Sơ đồ PID thiết bị tách khí N2. 
Hóa học – Sinh học – Môi trường 
 P. V. Chính, , V. Đ. Tiến, “Thiết kế hệ thống đo và  hấp phụ áp suất thay đổi.” 272 
 Mô hình thiết bị hấp phụ áp suất thay đổi (PSA) đã được xây dựng theo sơ đồ công 
nghệ PFD hình 2 và sơ đồ thiết bị và thiết bị đo lường (P&ID) hình 3 bằng vật liệu sàng 
phân tử CMS-240 (Bảng 2) đã tính toán, thiết kế, lựa chọn bao gồm các thiết bị chính sau 
[1-7]: Máy nén khí đồng bộ bao gồm: lọc khí F1, máy nén khí C1, bình tích T01, đồng hồ 
và bộ điều khiển áp suất đặt; Thiết bị tách nước và tách dầu F2; Cột tách ẩm D1; Hai cột 
hấp phụ B1 và B2 (DxH =114x700mm); Bình tích lấy sản phẩm T02; Các van điện từ 
đóng mở: V1, V2, V3ab, V4, V5, V6ab, V7, V8; Các van một chiều, van tiết lưu; Các cảm 
biến, đồng hồ đo áp suất: PT, PI; Các thiết bị đo lưu lượng: FT; Bộ điều khiển PLC S7-
300 lập trình trên WinCC; Máy tính giám sát và điều khiển SCADA, thu thập số liệu 
nghiên cứu [2-3-8-11]. 
Bảng 2. Thông số của vật liệu hấp phụ CMS. 
Vật liệu 
Đường 
kính 
hạt[mm] 
Khối lượng 
riêng[kg/m3] 
Độ 
cứng 
[N/p 
min] 
Áp suất 
hấp phụ 
[Mpa] 
Khối 
lượng[kg] 
Độ 
xốp 
CMS-240 1,6-2,2 630-660 100 0,6 10 0,4 
Chọn mua vật liệu CMS - 240 tại áp suất hấp phụ 0,8 Mpa sẽ thu được 240 m3/h.t với 
độ tinh khiết 99,5%, tỷ lệ thu hồi N2/không khí là 44%. 
3.3. Sơ đồ hệ thống điều khiển, giám sát 
Hình 4. Sơ đồ hệ thống điều khiển. 
Trên cơ sở sơ đồ P&ID trên hình 2 ta lập trình điều khiển PLC và SCADA: lập trình 
điều khiển PLC theo bảng 1 và lập trình hệ điều khiến, giám sát và thu thập số liệu 
SCADA bằng WinCC và mạng truyền thông theo hình 4 ta có kết quả sau: 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 273
Hình 5. Màn hình giám sát, điều khiển SCADA. 
Từ hình 5 cho thấy ta có thể dễ dàng đặt các tham số làm việc cho một lần thí nghiệm 
như thời gian của chu trình, thời gian lấy mẫu các lần đo và cài đặt số chu trình làm việc 
liên tục hay gián đoạn. 
Hình 6. Sự thay đổi áp suất theo chiều cao của cột hấp phụ B1, B2. 
Theo kết quả hình 6 cho chúng ta thấy sự thay đổi rõ nét của áp suất theo chiều cao của 
cột, các cảm biến được lắp cách nhau 10 cm và độ chênh áp suất trung bình theo chiều cao 
tương ứng là 0,1 bar/10cm. 
Từ hình 6 cho ta thấy đoạn từ 1 đến 15 s là thời gian tăng áp; đoạn từ 15-20 s là thời 
gian mở van lấy sản phẩm; đoạn từ 20-60 s là thời gian lấy sản phẩm ổn định; đoạn từ 60-
65 s là thời gian cân bằng; đoạn từ 65 – 110 s là thời gian giảm áp suất; đoạn từ 110-125 s 
là thời gian xả và làm sạch. Tương tự như vậy, trong cùng một thời điểm ở cột B2 có diễn 
biến thay đổi áp suất ngược lại so với cột B1. Ta có thể làm thí nghiệm ở nhiều tham số 
khác nhau, nhưng căn cứ vào kết quả mô phỏng thì sẽ rút ngắn được thời gian thí nghiệm 
để có thể tối ưu hóa làm việc của thiết bị để đạt được nồng độ khí N2 cao nhất. 
Kết quả thí nghiệm cuối cùng tìm ra bộ thông số làm việc tối ưu nhất các tham số cơ 
bản để đạt được độ tinh khiết của khí N2 cao nhất (nồng độ khí O2 thấp nhất trong dòng 
sản phẩm) là: 
Hóa học – Sinh học – Môi trường 
 P. V. Chính, , V. Đ. Tiến, “Thiết kế hệ thống đo và  hấp phụ áp suất thay đổi.” 274 
- Áp suất làm việc: Plv = 6,0 bar. 
- Thời gian cân bằng: T3 = 5s; Thời gian lấy sản phẩm và nhả hấp phụ: T2 = T5 = 45s 
Bảng 3. Kết quả chạy thực nghiệm với thời gian cân bằng là 5s, 
thời gian lấy sản phẩm là 45s. 
 Cột 1 Cột 2 
Plv (bar) 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 
Pcb (bar) 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 
O2 min(%) 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 
Thời gian 
cân bằng t(s) 
5 5 5 5 5 5 
Từ các kết quả thí nghiệm cho chúng ta thấy: 
Ở áp suất làm việc 6 bar và thời gian hấp phụ 15s (năng suất của hệ thống): khi thời 
gian cân bằng giảm xuống 5s; thời gian lấy sản phẩm và nhả hấp phụ 45s, thì nồng độ N2 
đã tăng lên cao đạt 99,5%, sử dụng thiết bị đo nồng độ khí O2 để tham chiếu của hãng 
SENKO – KOREA SP2nd cảm biến điện hóa. Nồng độ nitơ duy trì ổn định ở mức cao. 
IV. KẾT LUẬN 
Đã xây dựng thành công một hệ thống điều khiển PLC và hệ thống giám sát SCADA 
để đo đạc và điều khiển các cơ cấu chấp hành của thiết bị tách khí N2 ở qui mô pilot làm 
việc theo chu trình áp suất thay đổi PSA để phục vụ nghiên cứu và tối ưu hóa chế độ làm 
việc của thiết bị. 
Đã nghiên cứu, khảo sát và tối ưu hóa chế độ làm việc của thiết bị bằng hệ thống PLC, 
SCADA trên cho kết quả quy luật thay đổi áp suất và các tham số của chu trình nồng độ 
N2 sản phẩm đạt mức trên 99%. 
Đã khảo sát sự thay đổi áp suất theo chiều cao của cột hấp phụ. 
Do vậy, việc áp dụng PLC, SCADA vào nghiên cứu quá trình PSA là rất hiệu quả cho 
kết quả nghiên cứu nhanh chóng. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Phạm Văn Chính, Vũ Đình Tiến, Lê Quang Tuấn, “Nghiên cứu mô phỏng thiết bị 
tách khí nitơ theo chu trình hấp phụ áp suất thay đổi (PSA) bằng phần mềm Aspen 
Adsorption”, Trang 604-610, Tạp chí Công thương (ISSN:0866-7756), số 5+6, tháng 
4/2018. 
[2]. Nguyễn Kim Ánh, Nguyễn Mạnh Hà, “Giáo trình Mạng truyền thông Công nghiệp”, 
trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, 2007. 
[3]. Trần Thu Hà, “Tự động hóa trong công nghiệp với WINCC”, NXB Hồng Đức, TP 
Hồ Chí Minh, 2007. 
[4]. Tạ Ngọc Đôn, “Rây phân tử và vật liệu hấp phụ”, Nhà xuất bản Bách Khoa Hà 
Nội, 2012. 
[5]. Đinh Trọng Xoan, Nguyễn Trọng Khuông, Tưởng Thị Hội, Nguyễn Phương Khuê, 
Hà Thị An, Hà Văn Trương, Nguyễn Bin, Đỗ Văn Đài, Long Thanh Hùng, Phan 
Văn Thơm, Lê Nguyên Đương, Đinh Văn Huỳnh, Trần Xoa, Phạm Xuân Toản, “Sổ 
tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất - Tập1”, Nhà xuất bản khoa học và kỹ 
thuật, 1999. 
[6]. Đinh Trọng Xoan, Nguyễn Trọng Khuông, Tưởng Thị Hội, Nguyễn Phương Khuê, 
Hà Thị An, Hà Văn Trương, Nguyễn Bin, Đỗ Văn Đài, Long Thanh Hùng, Phan 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 275
Văn Thơm, Lê Nguyên Đương, Đinh Văn Huỳnh, Trần Xoa, Phạm Xuân Toản, 
“Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất - Tập 2”, Nhà xuất bản khoa học 
và kỹ thuật, 1999. 
[7]. Hồ Hữu Phương, “Cơ sở tính toán thiết bị hóa chất”; Khoa Đại học tại chức đại học 
Bách Khoa Hà Nội, 1977. 
[8]. Asha John, Aksa Andrews,...; “Nitrogen plant automation using PLC and SCADA”, 
International Journal of General Engineering and Technology (IJGET), 
ISSN(P)2278-9928, Volume 3, Issue 2, March 2014. 
[9]. SIEMENS A&G System Software for S7-300/400 System and Standard Functions 
Manual, SIEMENS Đức, 1998. 
[10]. SIEMENS A&G ET 200M Distributed I/O Device Manual, SIEMENS, 2000. 
[12]. Carlos A.Grande; “Advance in Pressure Swing Adsorption for Gas Separation”, 
International Scholarly Research Network ISRN Chemical Engineering, Volume 
2012, Article ID 982934, 13 page ,2012. 
[13]. Snehal V.Patel, Dr.J.M.Patel; “Separation of High Purity from Air by Pressure Swing 
Adsorption on Carbon Molecular Sieve”, International Journal of Engineering 
Research and Technology, Volume 3, Issue 3, March 2014. 
[14]. M.Delavar, N.Nabian; “An investigation on the Oxygen and Nitrogen separation 
from air using carbonaceous adsorbents”, Journal of Engineering Science and 
Technology, Volume 10, No.11, 2015. 
[15] .D.Roy Chowdhury, S.C.Sarkar; “Application of Pressure Swing Adsorption Cycle in 
the quest of production of Oxygen and Nitrogen”, International Journal of 
Engineering Science and Innovative Technology, Volume 5, Issue 2, March 2016. 
ABSTRACT 
DESIGN OF A SYSTEM FOR CONTROL AND MEASUREMENT 
TO STUDY AND OPTIMIZE NITROGEN GENERATOR 
USING PRESSURE SWING ADSORPTION (PSA) 
Nowadays, Programmable logic controller (PLC) and supervision control and 
data acquisition (SCADA) systems were widely applied to control and monitor 
machinery and equipment in the electrical, chemical and petroleum industries. They 
also were used to measure the technical parameters, collect experimental data and 
control actuators. In this work, a PLC S-300 of Siemen and SCADA are applied to 
design a control system for a nitrogen generator in pilot scale using pressure swing 
adsorption (PSA). This equipment has been manufactured by Institute of Technology 
- General Department of Defense Industry for study simulation and optimization of 
its operation mode. 
Keywords: Programming logic controler (PLC); Supervisory control and data acquisition (SCADA); Pressure 
swing adsorption (PSA); Carbon molecular sieve (CMS); Adsorption; Nitrogen. 
Nhận bài ngày 01 tháng 7 năm 2018 
Hoàn thiện ngày 10 tháng 9 năm 2018 
Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 9 năm 2018 
Địa chỉ: 1 Viện Công nghệ - TCCNQP; 
 2 Viện Hóa học vật liệu – Viện KHQS; 
 3 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. 
 *Email: pvchinhvcn@gmail.com.