第5章吸附和吸收處理空氣原理與方法

第5章吸附和吸收處理空氣原理與方法5.1吸附材料處理空氣的機(jī)理和方法5.2吸收劑處理空氣的機(jī)理和方法除濕概念水分凝結(jié)成霧或露對工業(yè)生產(chǎn)有嚴(yán)重影響；空氣壓縮后結(jié)露造成危害；濕度對人體的主要影響是舒適性；濕度對空氣中污染物影響；濕度對生物污染物也有重要影響；除民用建筑外，在汽車、坦克、飛行器、艦艇、地下室等特殊環(huán)境中也需要進(jìn)行除濕?？諝獬凉穹椒ɡ鋮s除濕法固體吸附法（固體床吸附法和轉(zhuǎn)輪法）液體吸收法膜法具體采用哪種方法，要根據(jù)除濕空氣的風(fēng)量、壓力、溫度和空氣的含濕量，結(jié)合具體的應(yīng)用背景進(jìn)行選擇。水表冷器水空氣獨(dú)立降溫獨(dú)立除濕溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)示意圖基于膜的全熱交換器在空調(diào)新風(fēng)處理中應(yīng)用冷卻除濕法原理：利用濕空氣被冷卻到露點(diǎn)溫度以下，將冷凝水脫除的除濕方法，又稱露點(diǎn)法或冷凍法；空氣冷卻器除濕或噴淋室除濕的方法屬于冷卻除濕；缺點(diǎn)：僅為降溫，表冷器中冷媒溫度為20℃左右即可；為除濕，冷媒溫度降低到7℃以下，使制冷機(jī)COP降低。無法使用自然冷源再熱、雙重能量浪費(fèi)霉菌固體吸附法原理：利用某些固體吸附劑吸濕硅膠、沸石吸水蒸汽、再生－>吸附、脫附固氣包括固體床吸附法和轉(zhuǎn)輪法；優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)較為成熟，可靠性高；缺點(diǎn)：體積較大，再生過程吸附劑需要頻繁加熱與冷卻，能耗較高，一次性使用吸濕劑又成本過高。液體吸收法原理：利用某些吸濕性溶液吸收空氣中的水分；氯化鋰、溴化鋰吸水蒸汽、再生－>吸收、再生液氣優(yōu)點(diǎn)：傳熱表面即使降到0℃以下也不會結(jié)霜；除濕鹽溶液具有殺菌性；缺點(diǎn)：若溶液流速選得不合適將產(chǎn)生溶液飛沫，并隨空氣一起進(jìn)入管道，腐蝕金屬。膜法除濕原理：利用親水性除濕膜進(jìn)行除濕，即利用滲透分離。膜科學(xué)技術(shù)是一門新興的高分離、濃縮、提純、凈化技術(shù)。膜法除濕研究領(lǐng)域主要集中在三個方面：壓力除濕、膜法全熱回收和膜濕泵。優(yōu)點(diǎn)：能耗低。缺點(diǎn)：制備工藝復(fù)雜,如果是液體還要對料液進(jìn)行預(yù)處理，以防堵塞。

5.1吸附材料處理空氣的機(jī)理和方法

1.基本知識和概念幾個名詞吸附現(xiàn)象：相異二相界面上的一種分子積聚現(xiàn)象。吸附(adsorption)：把分子配列程度較低的氣相分子濃縮到分子配列程度較高的固相中。吸附劑(adsorbent)：使氣體濃縮的物質(zhì)。吸附質(zhì)(adsorbate)

：被濃縮的物質(zhì)。例如:硅膠（吸附劑），水蒸汽（吸附質(zhì)）吸附種類物理吸附－>分子間范德華力引起，無化學(xué)反應(yīng)，是可逆吸附吸附質(zhì)和吸附劑之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；對所吸附的氣體選擇性不強(qiáng)；吸附過程快，參與吸附的各相之間瞬間達(dá)到平衡；為低放熱反應(yīng)，放熱量比相應(yīng)氣體的液化潛熱稍大；吸附力不強(qiáng)，在條件改變時可以脫附。以硅膠和水蒸氣(物理吸附)為例，硅膠+水蒸汽－>硅膠?nH2O+Q(>凝結(jié)熱)化學(xué)吸附－>有化學(xué)反應(yīng)吸附平衡和吸附等值線平衡態(tài)下等值線有：吸附等壓線：q＝f(T),p=const吸附等溫線（經(jīng)常使用）：q＝f(p)，T＝const一般，吸附量可表示成溫度和壓力的函數(shù)：q=f(p,T)吸附劑結(jié)構(gòu)：多孔介質(zhì)，比表面積按孔隙大小分為三類：微孔、過渡孔、大孔微孔過渡孔大孔有效半徑（埃）5-1515-2000>2000比表面積（m2/g）>40010-4000.5-2特點(diǎn)在微孔的整個空間存在著吸附力場進(jìn)入微孔的主要通道通向吸附劑顆粒內(nèi)部的粗通道代表物質(zhì)沸石、某些活性炭硅膠、鋁凝膠吸附劑的特性參數(shù)：

吸附劑密度：堆積密度ρ、真密度（ρs）、顆粒密度（ρp）堆積密度ρ真密度（ρs）顆粒密度（ρp）ρ<ρp<ρs吸附劑的特性參數(shù)多孔體的外觀體積：孔徑分布：通常使用吸附等溫線的數(shù)據(jù)來計算孔徑分布；顆粒當(dāng)量直徑、單位體積表面積2.等溫吸附線(AdsortionIsotherms)朗謬爾公式

限制條件:吸附分子間無相互作用,且為單層吸附。當(dāng)bp>>1時，即整個表面被單分子層所覆蓋當(dāng)bp<<1時，即亨利公式弗雷德里克公式

若1/n在0.1－0.5之間，吸附容易進(jìn)行，1/n大于0.5時，則吸附很難進(jìn)行。限制條件：僅用于吸附質(zhì)未達(dá)到飽和狀態(tài)時。當(dāng)吸附表面出現(xiàn)凝結(jié)和結(jié)晶時，吸附現(xiàn)象則不明顯了。BET公式適用范圍：多分子層吸附，0.05<p/p0<0.35。等溫吸附線(AdsortionIsotherms)微孔吸附與吸附質(zhì)分子大小相當(dāng)?shù)奈⒖?，其周壁的吸引力使吸附劑分子填充微孔而產(chǎn)生吸附作用。對于給定的吸附劑和吸附質(zhì)，吸附平衡與溫度無關(guān)，可用吸附勢表示：

3.常用吸附劑的類型和性能極性吸附劑（親水性）：硅膠、多孔活性鋁、沸石等鋁硅酸鹽非極性吸附劑（憎水性）：活性碳硅膠、活性氧化鋁及沸石的性能比較

4.吸附傳質(zhì)機(jī)理與數(shù)學(xué)模型傳質(zhì)速度是決定吸附性能的重要因素之一；傳質(zhì)速度由以下機(jī)理決定：在吸附劑顆粒外流體邊界層內(nèi)的對流傳質(zhì)；在吸附劑顆粒內(nèi)部被吸附物質(zhì)的分子擴(kuò)散；在吸附點(diǎn)進(jìn)行的吸附反應(yīng)。吸附時，氣體先通過氣膜到達(dá)顆粒表面，然后才向顆粒內(nèi)擴(kuò)散，脫附時則逆向進(jìn)行。計算公式和濃度方程5.空氣靜態(tài)吸附除濕和動態(tài)吸附除濕干燥循環(huán)

干燥劑：吸附空氣中水蒸氣的吸附劑。運(yùn)行條件：干燥劑表面的蒸汽壓與環(huán)境空氣的蒸汽壓差造成干燥劑吸濕和放濕。吸濕量對干燥劑蒸汽壓有影響：吸濕量增加，表面蒸汽壓隨之增大。再生過程：干燥劑表面蒸汽壓超過周圍空氣的蒸汽壓時，干燥劑脫濕。干燥過程：吸濕過程、再生過程和冷卻過程靜態(tài)吸附除濕定義：指吸附劑和密閉空間內(nèi)的靜止空氣接觸時，吸附空氣中的水蒸氣的方法。設(shè)計的任務(wù)：選擇合適的吸附劑以使密閉空間內(nèi)的水份量達(dá)到要求的水份量?！纠?-1】停用的鍋爐內(nèi)壁放多少吸附劑合適？查干飽和水蒸氣表可得：ρ0=53.7×10-3kg/m3，ρ1=6.80×10-3kg/m3。q0為相對濕度為30%時硅膠的平均吸濕量，等于0.17kg/kg。又已知：V=10m3，R=8kg。由公式（4-33）得：動態(tài)吸附除濕定義：讓濕空氣流經(jīng)吸附劑的除濕方法。優(yōu)點(diǎn)：吸附劑量較少，設(shè)備占地面積也小，花費(fèi)較少的運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)就能進(jìn)行大空氣流量的除濕。一個完整的干燥循環(huán)由吸附過程、脫附過程或稱再生過程以及冷卻過程構(gòu)成。再生方式：加熱再生方式、減壓再生方式、使用清洗氣體的再生方式、置換脫附再生方式。除濕的方式冷卻除濕是在除濕的同時通過冷卻水或空氣將吸附熱帶走，保持近似等溫除濕；絕熱除濕則近似等焓過程，即被除濕的處理氣流含濕量降低的同時，溫度會升高，氣流的焓值基本不變。改善吸濕式空氣處理方式的關(guān)鍵是變等焓過程為等溫過程，吸收或補(bǔ)充空氣與吸濕介質(zhì)間傳質(zhì)產(chǎn)生的相變潛熱，從而減少這一過程的不可逆損失。（好）（不好）

選擇吸附劑的標(biāo)準(zhǔn)要求空氣壓力損失小，具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度不致粉末化、具有足夠大的吸附容量；吸附劑粒水分的移動速度快，以便能盡快地達(dá)到平衡狀態(tài)。設(shè)計時預(yù)先要增加一些考慮劣化量的吸附劑填充量。6.吸附除濕設(shè)備——轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)abcdeφ=1分類：氯化鋰轉(zhuǎn)輪、硅膠轉(zhuǎn)輪、分子篩轉(zhuǎn)輪abcdefabcde7.吸附除濕型空調(diào)系統(tǒng)簡介1：蒸發(fā)冷凝器；2：熱交換器；3：加熱器；4除濕器abcdefghi除濕型新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)工作原理和溫濕圖全回風(fēng)除濕型空調(diào)系統(tǒng)工作原理圖和溫濕圖

1：蒸發(fā)冷凝器；2：熱交換器；3：加熱器；4除濕器Dunkle型除濕空調(diào)系統(tǒng)工作原理圖和溫濕圖

1：水蒸發(fā)器；2：次級換熱器；3：初級換熱器；4除濕器；5加熱器除濕轉(zhuǎn)輪用于新風(fēng)全熱回收除濕轉(zhuǎn)輪用于新風(fēng)全熱回收空氣蒸發(fā)冷卻器蒸發(fā)冷卻是利用水蒸發(fā)吸熱，具有冷卻功能這一眾所周知的物理現(xiàn)象。只要空氣不是飽和的，利用循環(huán)水直接（或通過填料層）噴淋空氣就可獲得降溫的效果。在允許條件下可以利用該空氣作為送風(fēng)以降低室溫，這種處理空氣的方法稱為蒸發(fā)冷卻。蒸發(fā)冷卻空氣處理方法主要只適用于東西北地區(qū)。空氣蒸發(fā)冷卻器的分類直接蒸發(fā)冷卻器、間接蒸發(fā)冷卻器和復(fù)合蒸發(fā)冷卻器；直接蒸發(fā)冷卻器通過與水的直接接觸來冷卻空氣，或者通過一個展開的濕表面材料來冷卻。在降低空氣溫度的同時，使空氣的含濕量和相對濕度有所增加，實現(xiàn)了加濕，等焓過程。適用于低濕度地區(qū)，如我國海拉爾——錫林浩特——呼和浩特——西寧——蘭州——甘孜一線以西地區(qū)（如甘肅、新疆、內(nèi)蒙、寧夏等省區(qū)）。間接蒸發(fā)冷卻是利用一股輔助氣流先經(jīng)噴淋水（循環(huán)水）直接蒸發(fā)冷卻，溫度降低后，再通過空氣－空氣換熱器來冷卻待處理空氣（即準(zhǔn)備進(jìn)入室內(nèi)的空氣），并使之降低溫度。所實現(xiàn)的便不再是等焓加濕降溫過程，而是減焓等濕降溫過程，從而得以避免由于加濕，而把過多的濕量帶入室內(nèi)。適用于低濕度地區(qū)和中等濕度地區(qū)，要求較低含濕量或比焓的場合，如我國哈爾濱——太原——寶雞——西昌——昆明一線以西地區(qū)。直接蒸發(fā)冷卻器間接蒸發(fā)冷卻器空氣蒸發(fā)冷卻器傳統(tǒng)系統(tǒng)與蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)比較51LeistungsgesteigerterSommerbetrieb

mitadiabatischerKondensatorkühlung

夏季采用絕熱加濕法提升冷量Zuluft送風(fēng)Abluft回風(fēng)Au?enluft新風(fēng)Fortluft排風(fēng)52SonderfunktionHochleistungs-WRGmitadiabatischerKühlung

特種用途高能量熱回收采用絕熱加濕冷卻Au?enluft新風(fēng)Fortluft排風(fēng)Abluft排風(fēng)Zuluft送風(fēng)吸附法處理空氣的優(yōu)點(diǎn)吸附除濕既不需要對空氣進(jìn)行冷卻也不需要對空氣進(jìn)行壓縮。吸附除濕噪聲低且可以得到很低的露點(diǎn)溫度。克服表冷器除濕缺點(diǎn)。獨(dú)立除濕：對空氣的降溫與除濕分開獨(dú)立處理，除濕不依賴于降溫方式實現(xiàn)。固體吸濕材料的弱點(diǎn)運(yùn)行過程都是動態(tài)的，其間混合損失大，影響效率；除濕過程釋放出的潛熱使除濕劑很難實現(xiàn)等溫除濕，吸濕能力大打折扣；整個過程傳熱傳質(zhì)的不可逆損失大，效率不高。

相對固體吸附材料，液體流動性好，設(shè)備容易實現(xiàn)，且溶液除濕過程容易被冷卻，從而實現(xiàn)等溫除濕，不可逆損失可減小。吸附材料在IAQ方面應(yīng)用：

需求情況：衣食住行，衣食（溫飽）問題已基本解決，住（房）、行（車）問題受到關(guān)注提高IAQ的四種辦法:源頭治理通風(fēng)控制優(yōu)化室內(nèi)氣流組織空氣凈化上述四方面，都與傳質(zhì)問題緊密相連。5.2吸收劑處理空氣的機(jī)理和方法一、吸收現(xiàn)象簡介

氣體吸收是用適當(dāng)?shù)囊后w吸收劑來吸收氣體或氣體混合物中的某種組分的一種操作。氣體被吸收的程度，取決于氣體的分壓力。液體除濕劑對水蒸汽有很強(qiáng)的吸收能力。大量吸收水分后，吸收液的濃度變稀，除濕能力也隨之降低，為連續(xù)吸濕，需將稀溶液加熱濃縮（再生）。水分蒸發(fā)，溶液濃縮后，重復(fù)使用。二、液體吸收劑的性能要求要有較強(qiáng)的吸濕能力；除濕劑對空氣中的水分有較大的溶解度；對混合氣體中其他組分基本不吸收；低黏度；高沸點(diǎn)，高冷凝熱和稀釋熱，低凝固點(diǎn)；吸濕劑性能穩(wěn)定，低揮發(fā)性，低腐蝕性，無毒性。常用吸收型除濕劑常用的液體除濕劑：溴化鋰溶液、氯化鋰溶液、氯化鈣、乙二醇、三甘醇溶液等。三甘醇：最早使用，黏度大，有揮發(fā)性；溴化鋰溶液：吸濕能力大，強(qiáng)腐蝕性；氯化鋰溶液：吸濕能力大，有腐蝕性；氯化鈣溶液：吸濕能力大，價格低，有腐蝕性。鹵鹽溶液性能比較共性：沸點(diǎn)比水高的多；表面蒸汽壓隨t升高和C降低而增大，除濕能力隨之降低；鹽的溶解度有限，會出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象；對常見金屬具有腐蝕性。不同：在相同t和C下，氯化鋰溶液的表面蒸汽壓最低；溴化鋰溶液溶解度大于氯化鋰；氯化鈣價格低。三、吸收劑處理空氣的機(jī)理水分由空氣向除濕溶液傳遞的驅(qū)動力是：被處理空氣的水蒸氣分壓力與除濕溶液表面蒸汽壓壓差。除濕溶液表面蒸汽壓越低，除濕能力越強(qiáng)；在相同的冷卻溫度下，為了增強(qiáng)除濕溶液的效果，宜選擇表面蒸汽壓較低的除濕劑。典型的吸收—再生過程包括：吸濕、再生、冷卻過程。典型的吸收—再生過程分析（除濕劑）典型的吸收—再生過程分析1—2：溶液的吸濕過程，水蒸氣從空氣向溶液轉(zhuǎn)移，同時水蒸氣凝結(jié)潛熱大部分被溶液吸收；2—3—4：溶液的再生過程，所需能量包括：加熱除濕劑使得其表面蒸汽壓高于水蒸氣分壓(2-3）所含水分蒸發(fā)所需的汽化潛熱（3-4）溶質(zhì)析出所需的熱量4—1：溶液的冷卻過程。在2—3加熱過程和4—1冷卻過程之間加換熱器。吸收除濕與其他除濕方式比較：吸收除濕的特點(diǎn)采用液體吸濕劑的除濕過程很容易被冷卻，從而實現(xiàn)近似等溫除濕，避免常規(guī)冷凝除濕過程中冷熱抵消現(xiàn)象；可以采用低品位熱能作為驅(qū)動能源，如太陽能、廢熱等，其再生熱源溫度低于轉(zhuǎn)輪等固體除濕方式；由于在溶液除濕系統(tǒng)中，能量以化學(xué)能而不是熱能方式儲存，因而降低了對熱能持續(xù)供應(yīng)的依賴程度，蓄能能力超過冰蓄冷，且蓄能穩(wěn)定。通過溶液噴灑可以除去空氣中的細(xì)菌、霉菌及其他有害物，有利于提高IAQ。溶液過程空氣過程四、影響吸收的主要因素氣液接觸形式：順流熱質(zhì)交換效果最差，逆流最優(yōu)，叉流介于兩者之間；除濕器的結(jié)構(gòu)：絕熱型和內(nèi)冷型結(jié)合較優(yōu)；除濕劑的選擇：在相同的冷卻溫度下，為增強(qiáng)除濕溶液的效果，宜選擇表面蒸汽壓較低的除濕劑；氣液運(yùn)行參數(shù)：空氣的流量、進(jìn)口溫度、進(jìn)口含濕量和液體的流量、進(jìn)口溫度、進(jìn)口濃度都影響吸收效果。五、溶液除濕系統(tǒng)和應(yīng)用簡介

1.系統(tǒng)特點(diǎn)與組成特點(diǎn)：采用低溫?zé)嵩打?qū)動，節(jié)約大量電能；避免使用CFCs和HCFCs等，采用鹽溶液不會對環(huán)境造成破壞；通過溶液噴灑可以除去空氣中的細(xì)菌、霉菌及其他有害物；由于避免使用有凝結(jié)水的盤管，也消除了室內(nèi)一大污染源；可采用全新風(fēng)運(yùn)行方式，提高IAQ。組成：除濕器（新風(fēng)機(jī)）、再生器、儲液器、輸配系統(tǒng)和管路。2.溶液除濕系統(tǒng)應(yīng)用簡介：獨(dú)立降溫獨(dú)立除濕溶液除濕空調(diào)系統(tǒng)示意圖溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)送風(fēng)末端裝置集中再生的溶液除濕空調(diào)機(jī)組

溶液除濕系統(tǒng)工作原理：熱濕負(fù)荷分開處理，即采用獨(dú)立除濕以消除潛熱，獨(dú)立降溫以消除顯熱；由于不承擔(dān)濕負(fù)荷，冷凍水的溫度為15～18℃，高于室內(nèi)的露點(diǎn)溫度，不會產(chǎn)生凝水，從而消除了室內(nèi)的一大污染源。再生器可以采用低溫?zé)嵩打?qū)動，可方便實現(xiàn)能量儲存，尤其適合以城市熱網(wǎng)連續(xù)均勻供熱作熱源。減小電能消耗，有效緩解用電量峰谷現(xiàn)象，優(yōu)化城市能源結(jié)構(gòu)。溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)和傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)相比1)溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)中，處理室內(nèi)顯熱負(fù)荷時，冷凍水溫度比傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)中冷凍水溫度高得多，