第5章 吸附和吸收处理空气原理与方法

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：
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。
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。

化学吸附－>有化学反应
吸附平衡和吸附等值线
一般，吸附量可表示成温度和压力的函数：
q=f(p,T)

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
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

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 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；

优点：


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。


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。



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）
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。
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：

适用范围：多分子层吸附，0.05<p/p0<0.35。
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： q W W ( Es )

p Es RT ln ps
3. 常用吸附剂的类型和性能
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。
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

湿空气与固体表面间热质交换（表冷器） 空气与水直接接触时热质交换（喷淋室） 吸附材料处理空气的机理和方法（转轮除湿） 吸收剂处理空气的机理和方法（溶液除湿）

独立除湿：


各种除湿方式的特点与比较
课堂习题



简述常用除湿技术的原理与特点。 干燥循环的三个过程及其运行条件是什么？ 简述常用固体吸附剂及其特点。 吸附剂的再生方式分为哪几类？ 液体吸收剂的性能要求有哪些？在空调工程中 常用的液体吸收剂有哪些？


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。
过渡孔 15-2000 10-400 大孔 >2000 0.5-2
微孔 有效半径（埃） 5-15 >400 比表面积 （m2/g）
特点
在微孔的整个 空间存在着吸 附力场
沸石、某些活 性炭
进入微孔的主 要通道
硅胶、铝凝胶
通向吸附剂颗 粒内部的粗通 道
代表物质
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）

朗谬尔公式
q bp qm 1 bp


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
1或q qm

当bp<<1时，即亨利公式
bp
等温吸附线(Adsortion Isotherms)

弗雷德里克公式

q kC
1/ n
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
q m k p / p0 q (1 p / p0 )(1 p / p0 k p / p0 )
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。
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)
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。
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；（好） 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。 （不好） 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。
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。
溶液除湿空调系统不能进行推广 的原因

根据目前情况，溶液除湿空调系统不能进行推 广的原因有：

缺少廉价的溶液再生热源； 溶液除湿系统效率较低； 除湿剂对金属管道具有腐蚀性等。

因而，现阶段溶液除湿空调系统还是停留在理 论研究、实验研究和工程初步示范阶段。
本章小结

空气热质处理途径及处理设备； 传统除湿工艺：
真密度（ρs）
堆积密度ρ
ρ<
颗粒密度（ρp）
ρp < ρs
吸附剂的特性参数
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多孔体的外观体积： V
堆
V隙 V孔 V真


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
d s 6 / sv sv S p / V p
2.等温吸附线(Adsortion Isotherms)
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。
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。
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。
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。
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。

不同：

三、吸收剂处理空气的机理



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
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0.5
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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。