气体除湿技术的研究进展_焦纬洲.pdf

第2期 气体除湿是指除去气体中所含的水蒸汽。 就水 蒸汽自身而言，对人类健康和环境没有危害。 但当 空气中水蒸汽含量过高时， 会造成人体感官不适， 甚至于细菌滋生，引发疾病；钢材受水蒸汽影响很 大，当水蒸汽在空气中的含量超过一定值时，会发 生电化学腐蚀，造成资源浪费；工业生产中的气体 阀门、化工、医药产品包装线的保护气、自动化仪表 生产等过程对气体湿度的要求都很高。 因此，在许 多场合下必须控制气体中水蒸汽的含量。 传统除湿方法按其原理可以分为1,2： （1）冷却除湿； （2）吸附除湿； （3）吸收除湿； （4）压缩除湿。 近年来，随着人们对除湿必要性的认识越来越 深入，除湿技术发展迅速。 现将各种除湿方法的研 究进展做如下总结。 1冷却除湿 冷却除湿（露点法）是将湿气体与低于其可凝 蒸汽露点的液体或固体壁面接触， 使水汽冷凝，气 体升温排放，从而除去多余的水蒸汽。 该法应用广 泛，是最早的一种除湿方法，适用于高温高湿条件 下大气量的除湿。 冷却除湿介质采用低温液体或固体壁面，液体 一般选用水或工业废水。 气液接触方式分为直接与 间接接触。 就冷却除湿而言，研究表明逆流接触 效果优于并流。 液体为冷却介质时， 设备一般采用喷淋塔、填 料塔、换热器、热泵等3-5。 最早的除湿器为喷淋塔， 随着除湿器的结构优化，填料塔应运而生，其性能 优于喷淋塔，它在增大接触面积的同时，延长了液 体的停留时间，对热、质传递有利。 目前填料塔的研 究主要集中在填料散装填料和规整填料上。 常用 散装填料有拉西环、鲍尔环、阶梯环、纳特环等，一 般乱堆于塔中， 致使填料层内流体力学性质不可 控，流体分布欠佳，适应负荷能力差，低负荷时易出 现沟流现象，且放大效应严重；规整填料以其规则 的几何形状，克服了沟流和壁流现象，消除了放大 效应，同时增大接触面积，减小流体阻力。 目前规整 填料主要有丝网填料、波纹填料、栅格填料、脉冲填 料等：丝网填料分离效率高、压降小、持液量低、操 作弹性大、放大效应不明显，但价格高、易堵塞、易 腐蚀；板波纹填料传质性能较波纹填料稍差，但它 在抗污染、耐腐蚀等方面有优势，且价格低。 换热器 效率与其换热系数有关，一般换热介质间换热系数 相差较大，使得热传递不平衡，效率低下。以空气-水 为例，空气的对流换热系数为20W/（m2）100W/ （m2），水为1000W/（m2）15000W/（m2），换 热壁两侧面积基本相等，介质间传热系数相差上百 倍导致热交换不平衡，使得总传热系数偏低。 热泵 技术的发展6，国外一直处于领先地位，美国、日本、 前苏联、西欧等国家已经形成热泵系列产品，我国 上世纪80年代开始发展热泵技术。 该法具有无污 染、节能、操作简单、维修方便、除湿后气体温度可 调的特点，但除湿过程较难控制，噪声大，对温度调 节能力差，只适用于露点不低于5的空气除湿。 上 述设备中喷淋塔、填料塔气液直接接触，换热器、热 泵中气液间接接触， 理论上直接较间接接触面积 收稿日期：2010-12-16；作者简介：焦纬洲 （1981-），男，博士， 讲师， 主要研究方向为超重力技术基础应用研究， 电话13934659076，电邮jwz0306。 气体除湿技术的研究进展 焦纬洲，孟晓丽，刘有智，祁贵生 （中北大学山西省超重力化工工程技术研究中心，山西 太原030051） 摘要：阐述了气体除湿的必要性和重要性。 介绍目前国内外常用除湿方法的原理及研究进展，指出各种方法的适用范围， 在分析其优缺点的基础上对今后的发展方向进行展望。 关键词：气体除湿；除湿技术；干燥；展望 中图分类号：TQ 21文献标识码：B文章编号：1001-9219(2011）02-75-04 焦纬洲等：气体除湿技术的研究进展75 天然气化工2011年第36卷 大，传热效率高，它们的不同之处在于间接过程中 不存在传质。 总体来说，除湿器普遍存在设备占地 面积大、传热传质效率低、能耗高等缺点，因此仍有 待向除湿效率高、能耗低的方向发展。 青岛科技大学化学工程研究所研发的直流降 膜旋风除雾器，冷却介质为固体壁面，它利用离心 力作用将含湿气体甩到低温壁面， 使水汽冷凝为 水。 该设备与旋风分离器原理相同，但压降只有它 的1/3、能耗低、效率高，具有结构简单、无转动部件 的特点，易于加工和维修，解决了除雾器壁面长期 结壳的难题。 2吸附除湿 用固体吸附剂吸附气体中的水汽，从而达到除 湿的目的，该法适用于深度除湿。 常用固体吸附剂主要有氯化锂、硅胶、分子筛、 氯化钙等7-10。 氯化锂最早用来做吸附剂，溶解度大， 化学性质稳定，再生温度低（120左右），除湿过程 同时存在物理与化学吸附，甚至可以在溶液状态下 继续吸水，是性能最好的吸附剂；但吸湿容量小，易 腐蚀设备，价格昂贵。 硅胶是继氯化锂之后研究应 用较多的吸附剂，性质稳定，无毒抗酸，吸湿过程中 始终保持固态，但其吸湿能力差、再生能耗高，耐热 性、机械强度差。 为了增强吸湿能力，对其进行改 性：将硅胶与卤素盐结合制成复合吸附剂；硅胶中 掺杂金属元素以克服耐热性及机械强度差的缺点。 分子筛作为吸附剂高温下仍能保持较好的吸湿能 力，但吸湿容量小，再生困难，成本高，结构脆，只用 于一些对空气露点要求非常低的场合，目前的研究 主要集中在对其改性上。 氯化钙主要应用于实验 室，效果较好，但吸湿后易泄漏，污染环境。 吸附除湿设备主要采用除湿转轮11-14。 自20世 纪60年代美国发明除湿转轮，至今已有50年的历 史，目前欧美国家使用的大型除湿机主要是吸附式 除湿转轮，国内除湿转轮的发展较慢。 除湿转轮的 主体结构是一个不断转动的蜂窝状转轮，内填充由 特殊复合耐热材料制成的波纹状介质，介质中载有 固体吸附剂，吸附剂在除湿区达到饱和后到再生区 进行再生，过程中除湿与再生同时进行，再生热源 可利用水蒸汽、煤气、太阳能、废热等。 除湿转轮的 生产厂家主要有瑞典的Munters公司、DST公司和 日本西部科技等，国内主要有北京新宇、广州华工 泰、杭州杰瑞、无锡联众等。 目前对除湿转轮的研究 主要集中在转轮性能参数的影响和热源的选择上。 除湿转轮结构紧凑， 可以提供充分接触的表面积， 结构简单，维修方便，噪声低，运行可靠，但能耗较 高。 吸附除湿由于其吸附剂普遍存在的缺点：吸附 容量小，再生困难，易造成二次污染，成本高等，一 般用于小气量低湿气体的除湿。 它的发展关键在于 吸附剂的选择与设备结构的改进， 寻求吸附容量 大、再生简单、无污染的吸附剂，效率高、阻力小、能 耗小的转轮结构是研究者不断努力的方向。 3吸收除湿 将气体与吸湿性溶液接触进行物理或化学吸 收，降低其中水蒸汽含量以达到除湿的目的。20世 纪30年代液体除湿空调出现，至50年代，该法广 泛应用于其他行业。 理想的除湿溶液应具备表面蒸汽压低、 粘度 低、沸点高、挥发性小、腐蚀性小、无毒、价格低廉易 得等特点15-19。 目前常用的主要有三甘醇、氯化钙、 溴化锂、氯化锂等。 三甘醇是最早的除湿溶液，为有 机溶剂，粘度大，易挥发，逐渐被其他溶液取代；氯 化钙作为吸湿溶液，价廉易得，但其除湿效果不稳 定，易产生沉淀，故应用范围有限；溴化锂溶解度 大，工作范围内溶液浓度高（50%60%），再生温度 高，腐蚀性因而加剧，通常应用于吸收式冷水机中； 氯化锂的性能在吸附除湿中已经提到， 不再介绍。 研究发现， 混合溶液的吸湿性能较好，Erats等人经 过实验得到LiCl与CaCl2质量混合比为11时，性 价比最优的结论； 宫小龙等也得出了LiCl与CaCl2 的质量混合比为11时，性价比比较合理的结论。为 了强化除湿溶液的性能，Ali.A等在除湿溶液中添 加纳米Cu粒子，取得了一定效果。 但目前为止尚未 发现较为理想的除湿溶液。 常用的除湿器主要有喷淋塔、填料塔、除湿机 等。 气体与除湿溶液在除湿器中充分接触，在水蒸 汽分压差的作用下，水汽由气相向液相转移，从而 减小气体中水蒸汽的含量。 除湿器的性能优劣直接 影响到系统的除湿效果，好的除湿器除采用合适的 除湿溶液外，还应具有热质传递性能良好、阻力损 失小、结构简单、成本低的特点3,15,20。 关于喷淋塔与 填料塔的发展，吸附除湿中已经介绍；英国诺丁汉大 76 第2期 学Oliveira设计制造了一种离心式LiBr除湿器21，它 将离心风机与除湿功能合为一体；蜂窝式除湿机是 除湿转轮的一种，将石棉瓦楞纸重叠卷成蜂窝圆柱 体性的纸芯，浸渍氯化锂后制成转轮。 大部分除湿 器在除湿过程中与外界的热交换可以忽略，溶液在 除湿过程中吸收热量而升温且被稀释，这些均不利 于传质。 近年来出现许多对热交换过程的研究，将 其设备被称为内冷型除湿器，内冷型除湿器利用低 温介质将除湿过程释放的热量带走，以保证除湿溶 液的吸湿能力。 鉴于除湿溶液不甚理想、除湿器效率普遍偏低 的情况，寻求理想的除湿溶液、结构合理的除湿器 是大多数学者、专家的研究目标。 4压缩除湿 压缩除湿是将气体压缩到一定的压力，使其低 于该温度下的饱和蒸汽压，水蒸汽从而凝结，适用 于高湿度条件下小气量的除湿，所需压力大、功耗 大、费用高。 与其他方法相比，该法没有明显的优 势，应用较少，发展缓慢。 5膜法除湿 膜法除湿利用膜管两侧水蒸汽的压力差，使水 蒸汽分子透过有机膜，从而达到除湿的目的。 除湿 效率由膜的水蒸汽/其它气体的分离系数和其他气 体的渗透率决定22,23。 气体分离膜自20世纪50年 代开始研究，到80年代迅速发展，用于除湿的膜主 要为有机膜。 除湿膜具有一定的亲水性，有利于水分子在膜 中的吸附、溶解，提高除湿效率23,24，因此，制备除湿 用膜的原料多为亲水性材料。 为了提高膜的亲水 性， 有人在高分子链上引入亲水性基团进行改性， 然而并不是亲水性基团越多， 膜的亲水性就强，决 定膜亲水性强弱的是能和水分子发生相互作用的 游离的、分布在高分子表面的亲水基团。 目前，国外已经建立起膜法除湿线，以中空纤 维膜居多。美国Separex公司采用Separex分离器对 海底油田天然气进行了脱湿试验， 效率达到97%； 上世纪80年代初，Permea公司开始研制膜法脱湿 的工业化设备；1987年，CactusTM膜法脱湿分离器 实现了工业化； 日本UBE公司用聚酰亚胺中空纤 维膜制成的脱湿组件也已经商品化。 国内，中科院 长春应化所利用自制可溶性聚酰亚胺纺制成的中 空纤维膜进行压缩空气除湿研究，已取得阶段性成 果； 李国民等引入季胺盐对聚酰亚胺膜进行改性， 通过试验得到共混膜的除湿性能优于聚酰亚胺膜 的结论； 王洪军等考察了PVA/PS中空纤维复合膜 用于脱除丙烯中微量水分的效果25-28。 膜法除湿节能、无污染、产气露点低，同时设备 简单、占地面积小、基本不需维护，经济效益显著。 近年来随着膜技术的发展，膜法除湿应用范围越来 越广。 6除雾器除湿 常见的除雾器主要有丝网除雾器、 过滤除雾 器、折流除雾器、离心除雾器、电除雾器、压力除雾 器等，其中电除雾器和压力除雾器应用较少，最常 使用的是丝网除雾器，它靠细丝编织的网垫起过滤 除沫作用，为物理过程，材质为金属或玻璃纤维。 除 雾器除湿压降小、效率高、成本低，但易腐蚀，且仅 对过饱和蒸汽有脱除效果，不能用于不饱和气体的 除湿。 7联合除湿 多年研究发现，将除湿方法联合应用有助于提 高除湿效率，降低成本29,30。以冷冻-吸附式联合除湿 为例， 冷冻法适用于大气量高湿度气体的除湿，吸 附法适用于深度除湿。 将两种方法联合应用于大气 量高湿度高精度除湿要求的场合，能起到各自的作 用，功耗低、成本低。 因此，采用联合除湿方法是大 势所趋。 8结语 随着环保意识的增强，国家对气体中水蒸汽含 量的控制日益严格， 多种除湿技术得到研究与应 用。 通过以上的分析比较，发现这些方法各有利弊， 平衡发展。 但无论何种方法，提高除湿效率、降低能 耗都是研究的核心问题。 参考文献 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