第5章吸附和吸收处理空气原理与方法

第5章吸附和吸收处理空气原理与方法5.1吸附材料处理空气的机理和方法5.2吸收剂处理空气的机理和方法除湿概念水分凝结成雾或露对工业生产有严重影响；空气压缩后结露造成危害；湿度对人体的主要影响是舒适性；湿度对空气中污染物影响；湿度对生物污染物也有重要影响；除民用建筑外，在汽车、坦克、飞行器、舰艇、地下室等特殊环境中也需要进行除湿。空气除湿方法冷却除湿法固体吸附法（固体床吸附法和转轮法）液体吸收法膜法具体采用哪种方法，要根据除湿空气的风量、压力、温度和空气的含湿量，结合具体的应用背景进行选择。水表冷器水空气独立降温独立除湿溶液除湿空调系统示意图基于膜的全热交换器在空调新风处理中应用冷却除湿法原理：利用湿空气被冷却到露点温度以下，将冷凝水脱除的除湿方法，又称露点法或冷冻法；空气冷却器除湿或喷淋室除湿的方法属于冷却除湿；缺点：仅为降温，表冷器中冷媒温度为20℃左右即可；为除湿，冷媒温度降低到7℃以下，使制冷机COP降低。无法使用自然冷源再热、双重能量浪费霉菌固体吸附法原理：利用某些固体吸附剂吸湿硅胶、沸石吸水蒸汽、再生－>吸附、脱附固气包括固体床吸附法和转轮法；优点：技术较为成熟，可靠性高；缺点：体积较大，再生过程吸附剂需要频繁加热与冷却，能耗较高，一次性使用吸湿剂又成本过高。液体吸收法原理：利用某些吸湿性溶液吸收空气中的水分；氯化锂、溴化锂吸水蒸汽、再生－>吸收、再生液气优点：传热表面即使降到0℃以下也不会结霜；除湿盐溶液具有杀菌性；缺点：若溶液流速选得不合适将产生溶液飞沫，并随空气一起进入管道，腐蚀金属。膜法除湿原理：利用亲水性除湿膜进行除湿，即利用渗透分离。膜科学技术是一门新兴的高分离、浓缩、提纯、净化技术。膜法除湿研究领域主要集中在三个方面：压力除湿、膜法全热回收和膜湿泵。优点：能耗低。缺点：制备工艺复杂,如果是液体还要对料液进行预处理，以防堵塞。

5.1吸附材料处理空气的机理和方法

1.基本知识和概念几个名词吸附现象：相异二相界面上的一种分子积聚现象。吸附(adsorption)：把分子配列程度较低的气相分子浓缩到分子配列程度较高的固相中。吸附剂(adsorbent)：使气体浓缩的物质。吸附质(adsorbate)

：被浓缩的物质。例如:硅胶（吸附剂），水蒸汽（吸附质）吸附种类物理吸附－>分子间范德华力引起，无化学反应，是可逆吸附吸附质和吸附剂之间不发生化学反应；对所吸附的气体选择性不强；吸附过程快，参与吸附的各相之间瞬间达到平衡；为低放热反应，放热量比相应气体的液化潜热稍大；吸附力不强，在条件改变时可以脱附。以硅胶和水蒸气(物理吸附)为例，硅胶+水蒸汽－>硅胶•nH2O+Q(>凝结热)化学吸附－>有化学反应吸附平衡和吸附等值线平衡态下等值线有：吸附等压线：q＝f(T),p=const吸附等温线（经常使用）：q＝f(p)，T＝const一般，吸附量可表示成温度和压力的函数：q=f(p,T)吸附剂结构：多孔介质，比表面积按孔隙大小分为三类：微孔、过渡孔、大孔微孔过渡孔大孔有效半径（埃）5-1515-2000>2000比表面积（m2/g）>40010-4000.5-2特点在微孔的整个空间存在着吸附力场进入微孔的主要通道通向吸附剂颗粒内部的粗通道代表物质沸石、某些活性炭硅胶、铝凝胶吸附剂的特性参数：

吸附剂密度：堆积密度ρ、真密度（ρs）、颗粒密度（ρp）堆积密度ρ真密度（ρs）颗粒密度（ρp）ρ<ρp<ρs吸附剂的特性参数多孔体的外观体积：孔径分布：通常使用吸附等温线的数据来计算孔径分布；颗粒当量直径、单位体积表面积2.等温吸附线(AdsortionIsotherms)朗谬尔公式

限制条件:吸附分子间无相互作用,且为单层吸附。当bp>>1时，即整个表面被单分子层所覆盖当bp<<1时，即亨利公式弗雷德里克公式

若1/n在0.1－0.5之间，吸附容易进行，1/n大于0.5时，则吸附很难进行。限制条件：仅用于吸附质未达到饱和状态时。当吸附表面出现凝结和结晶时，吸附现象则不明显了。BET公式适用范围：多分子层吸附，0.05<p/p0<0.35。等温吸附线(AdsortionIsotherms)微孔吸附与吸附质分子大小相当的微孔，其周壁的吸引力使吸附剂分子填充微孔而产生吸附作用。对于给定的吸附剂和吸附质，吸附平衡与温度无关，可用吸附势表示：

3.常用吸附剂的类型和性能极性吸附剂（亲水性）：硅胶、多孔活性铝、沸石等铝硅酸盐非极性吸附剂（憎水性）：活性碳硅胶、活性氧化铝及沸石的性能比较

4.吸附传质机理与数学模型传质速度是决定吸附性能的重要因素之一；传质速度由以下机理决定：在吸附剂颗粒外流体边界层内的对流传质；在吸附剂颗粒内部被吸附物质的分子扩散；在吸附点进行的吸附反应。吸附时，气体先通过气膜到达颗粒表面，然后才向颗粒内扩散，脱附时则逆向进行。计算公式和浓度方程5.空气静态吸附除湿和动态吸附除湿干燥循环

干燥剂：吸附空气中水蒸气的吸附剂。运行条件：干燥剂表面的蒸汽压与环境空气的蒸汽压差造成干燥剂吸湿和放湿。吸湿量对干燥剂蒸汽压有影响：吸湿量增加，表面蒸汽压随之增大。再生过程：干燥剂表面蒸汽压超过周围空气的蒸汽压时，干燥剂脱湿。干燥过程：吸湿过程、再生过程和冷却过程静态吸附除湿定义：指吸附剂和密闭空间内的静止空气接触时，吸附空气中的水蒸气的方法。设计的任务：选择合适的吸附剂以使密闭空间内的水份量达到要求的水份量。【例5-1】停用的锅炉内壁放多少吸附剂合适？查干饱和水蒸气表可得：ρ0=53.7×10-3kg/m3，ρ1=6.80×10-3kg/m3。q0为相对湿度为30%时硅胶的平均吸湿量，等于0.17kg/kg。又已知：V=10m3，R=8kg。由公式（4-33）得：动态吸附除湿定义：让湿空气流经吸附剂的除湿方法。优点：吸附剂量较少，设备占地面积也小，花费较少的运转费就能进行大空气流量的除湿。一个完整的干燥循环由吸附过程、脱附过程或称再生过程以及冷却过程构成。再生方式：加热再生方式、减压再生方式、使用清洗气体的再生方式、置换脱附再生方式。除湿的方式冷却除湿是在除湿的同时通过冷却水或空气将吸附热带走，保持近似等温除湿；绝热除湿则近似等焓过程，即被除湿的处理气流含湿量降低的同时，温度会升高，气流的焓值基本不变。改善吸湿式空气处理方式的关键是变等焓过程为等温过程，吸收或补充空气与吸湿介质间传质产生的相变潜热，从而减少这一过程的不可逆损失。（好）（不好）

选择吸附剂的标准要求空气压力损失小，具有适当的强度不致粉末化、具有足够大的吸附容量；吸附剂粒水分的移动速度快，以便能尽快地达到平衡状态。设计时预先要增加一些考虑劣化量的吸附剂填充量。6.吸附除湿设备——转轮除湿机abcdeφ=1分类：氯化锂转轮、硅胶转轮、分子筛转轮abcdefabcde7.吸附除湿型空调系统简介1：蒸发冷凝器；2：热交换器；3：加热器；4除湿器abcdefghi除湿型新风空调系统工作原理和温湿图全回风除湿型空调系统工作原理图和温湿图

1：蒸发冷凝器；2：热交换器；3：加热器；4除湿器Dunkle型除湿空调系统工作原理图和温湿图

1：水蒸发器；2：次级换热器；3：初级换热器；4除湿器；5加热器除湿转轮用于新风全热回收除湿转轮用于新风全热回收空气蒸发冷却器蒸发冷却是利用水蒸发吸热，具有冷却功能这一众所周知的物理现象。只要空气不是饱和的，利用循环水直接（或通过填料层）喷淋空气就可获得降温的效果。在允许条件下可以利用该空气作为送风以降低室温，这种处理空气的方法称为蒸发冷却。蒸发冷却空气处理方法主要只适用于东西北地区。空气蒸发冷却器的分类直接蒸发冷却器、间接蒸发冷却器和复合蒸发冷却器；直接蒸发冷却器通过与水的直接接触来冷却空气，或者通过一个展开的湿表面材料来冷却。在降低空气温度的同时，使空气的含湿量和相对湿度有所增加，实现了加湿，等焓过程。适用于低湿度地区，如我国海拉尔——锡林浩特——呼和浩特——西宁——兰州——甘孜一线以西地区（如甘肃、新疆、内蒙、宁夏等省区）。间接蒸发冷却是利用一股辅助气流先经喷淋水（循环水）直接蒸发冷却，温度降低后，再通过空气－空气换热器来冷却待处理空气（即准备进入室内的空气），并使之降低温度。所实现的便不再是等焓加湿降温过程，而是减焓等湿降温过程，从而得以避免由于加湿，而把过多的湿量带入室内。适用于低湿度地区和中等湿度地区，要求较低含湿量或比焓的场合，如我国哈尔滨——太原——宝鸡——西昌——昆明一线以西地区。直接蒸发冷却器间接蒸发冷却器空气蒸发冷却器传统系统与蒸发冷却系统比较51LeistungsgesteigerterSommerbetrieb

mitadiabatischerKondensatorkühlung

夏季采用绝热加湿法提升冷量Zuluft送风Abluft回风Außenluft新风Fortluft排风52SonderfunktionHochleistungs-WRGmitadiabatischerKühlung

特种用途高能量热回收采用绝热加湿冷却Außenluft新风Fortluft排风Abluft排风Zuluft送风吸附法处理空气的优点吸附除湿既不需要对空气进行冷却也不需要对空气进行压缩。吸附除湿噪声低且可以得到很低的露点温度。克服表冷器除湿缺点。独立除湿：对空气的降温与除湿分开独立处理，除湿不依赖于降温方式实现。固体吸湿材料的弱点运行过程都是动态的，其间混合损失大，影响效率；除湿过程释放出的潜热使除湿剂很难实现等温除湿，吸湿能力大打折扣；整个过程传热传质的不可逆损失大，效率不高。

相对固体吸附材料，液体流动性好，设备容易实现，且溶液除湿过程容易被冷却，从而实现等温除湿，不可逆损失可减小。吸附材料在IAQ方面应用：

需求情况：衣食住行，衣食（温饱）问题已基本解决，住（房）、行（车）问题受到关注提高IAQ的四种办法:源头治理通风控制优化室内气流组织空气净化上述四方面，都与传质问题紧密相连。5.2吸收剂处理空气的机理和方法一、吸收现象简介

气体吸收是用适当的液体吸收剂来吸收气体或气体混合物中的某种组分的一种操作。气体被吸收的程度，取决于气体的分压力。液体除湿剂对水蒸汽有很强的吸收能力。大量吸收水分后，吸收液的浓度变稀，除湿能力也随之降低，为连续吸湿，需将稀溶液加热浓缩（再生）。水分蒸发，溶液浓缩后，重复使用。二、液体吸收剂的性能要求要有较强的吸湿能力；除湿剂对空气中的水分有较大的溶解度；对混合气体中其他组分基本不吸收；低黏度；高沸点，高冷凝热和稀释热，低凝固点；吸湿剂性能稳定，低挥发性，低腐蚀性，无毒性。常用吸收型除湿剂常用的液体除湿剂：溴化锂溶液、氯化锂溶液、氯化钙、乙二醇、三甘醇溶液等。三甘醇：最早使用，黏度大，有挥发性；溴化锂溶液：吸湿能力大，强腐蚀性；氯化锂溶液：吸湿能力大，有腐蚀性；氯化钙溶液：吸湿能力大，价格低，有腐蚀性。卤盐溶液性能比较共性：沸点比水高的多；表面蒸汽压随t升高和C降低而增大，除湿能力随之降低；盐的溶解度有限，会出现结晶现象；对常见金属具有腐蚀性。不同：在相同t和C下，氯化锂溶液的表面蒸汽压最低；溴化锂溶液溶解度大于氯化锂；氯化钙价格低。三、吸收剂处理空气的机理水分由空气向除湿溶液传递的驱动力是：被处理空气的水蒸气分压力与除湿溶液表面蒸汽压压差。除湿溶液表面蒸汽压越低，除湿能力越强；在相同的冷却温度下，为了增强除湿溶液的效果，宜选择表面蒸汽压较低的除湿剂。典型的吸收—再生过程包括：吸湿、再生、冷却过程。典型的吸收—再生过程分析（除湿剂）典型的吸收—再生过程分析1—2：溶液的吸湿过程，水蒸气从空气向溶液转移，同时水蒸气凝结潜热大部分被溶液吸收；2—3—4：溶液的再生过程，所需能量包括：加热除湿剂使得其表面蒸汽压高于水蒸气分压(2-3）所含水分蒸发所需的汽化潜热（3-4）溶质析出所需的热量4—1：溶液的冷却过程。在2—3加热过程和4—1冷却过程之间加换热器。吸收除湿与其他除湿方式比较：吸收除湿的特点采用液体吸湿剂的除湿过程很容易被冷却，从而实现近似等温除湿，避免常规冷凝除湿过程中冷热抵消现象；可以采用低品位热能作为驱动能源，如太阳能、废热等，其再生热源温度低于转轮等固体除湿方式；由于在溶液除湿系统中，能量以化学能而不是热能方式储存，因而降低了对热能持续供应的依赖程度，蓄能能力超过冰蓄冷，且蓄能稳定。通过溶液喷洒可以除去空气中的细菌、霉菌及其他有害物，有利于提高IAQ。溶液过程空气过程四、影响吸收的主要因素气液接触形式：顺流热质交换效果最差，逆流最优，叉流介于两者之间；除湿器的结构：绝热型和内冷型结合较优；除湿剂的选择：在相同的冷却温度下，为增强除湿溶液的效果，宜选择表面蒸汽压较低的除湿剂；气液运行参数：空气的流量、进口温度、进口含湿量和液体的流量、进口温度、进口浓度都影响吸收效果。五、溶液除湿系统和应用简介

1.系统特点与组成特点：采用低温热源驱动，节约大量电能；避免使用CFCs和HCFCs等，采用盐溶液不会对环境造成破坏；通过溶液喷洒可以除去空气中的细菌、霉菌及其他有害物；由于避免使用有凝结水的盘管，也消除了室内一大污染源；可采用全新风运行方式，提高IAQ。组成：除湿器（新风机）、再生器、储液器、输配系统和管路。2.溶液除湿系统应用简介：独立降温独立除湿溶液除湿空调系统示意图温湿度独立控制空调系统新风送风末端装置集中再生的溶液除湿空调机组

溶液除湿系统工作原理：热湿负荷分开处理，即采用独立除湿以消除潜热，独立降温以消除显热；由于不承担湿负荷，冷冻水的温度为15～18℃，高于室内的露点温度，不会产生凝水，从而消除了室内的一大污染源。再生器可以采用低温热源驱动，可方便实现能量储存，尤其适合以城市热网连续均匀供热作热源。减小电能消耗，有效缓解用电量峰谷现象，优化城市能源结构。温湿度独立控制空调系统和传统的空调系统相比1)温湿度独立控制空调系统中，处理室内显热负荷时，冷冻水温度比传统的空调系统中冷冻水温度高得多，