第五章 吸附和吸收处理空气的原理与方法

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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)
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。
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

多孔体的外观体积: V
堆Hale Waihona Puke Baidu
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)

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 q m

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
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。
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
qm k p / p0 q (1 p / p 0 )(1 p / p 0 k p / p 0 )
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。
b
d b a e c
7.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
g
d c e f b
h
a i
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

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 E s RT ln ps
3. 常用吸附剂的类型和性能
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
LeistungsgesteigerterSommerbetrieb mit adiabatischer Kondensatorkühlung 夏季采用绝热加湿法提升冷量
Abluft Fortluft
回风
排风
Zuluft
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)
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。
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
d e a c φ=1
b
分类:氯化锂转轮、硅胶转 轮、分子筛转轮
d e f c a
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。
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。


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。
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)。


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 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。
第五章吸附和吸收处理空 气的原理与方法
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。
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:


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)


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
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
Außenluft
送风
新风
51
Abluft
Fortluft
排风
排风
Außenlu Zuluft
送风
Sonderfunktion Hochleistungs-WRG mit adiabatischer Kühlung 特种用途 高能量热回收 采用绝热加湿冷却
52
新风
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。
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。


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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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。
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