热质交换原理与设备【高级课件】

1、第五章 吸附和吸收处理空气的原理与方法,1,严选内容,内 容,吸附材料处理空气的原理和方法,5.1,吸收剂处理空气的原理和方法,5.2,2020/6/27,89-2,5.1 吸附材料处理空气的原理和方法,2020/6/27,89-3,5.1.1 吸附的基本知识和概念,吸附现象是产生在相异两相的边界面上的一种分子积聚现象。,吸附剂：使气相浓缩的物质 吸附质：被浓缩的物质,分子力（Van der Waals）: 同相间分子力处于平衡状态，相界处不平衡。,（1）吸附、吸附剂和吸附质,5.1 吸附材料处理空气的原理和方法,2020/6/27,89-4,表面能,物质的总能量,当物质的比表面积比较大时，表

2、面能就会对物质的性能产生很大的影响。,相界上的非平衡力导致物质微粒在界面上的聚集程度的改变就是吸附。,2020/6/27,89-5,吸附剂处理空气的原理,吸附：由范德华引力、氢键起作用的物理过程。,2020/6/27,89-6,（2）吸附的种类,物理吸附 由吸附质分子与吸附剂分子之间分子力（Van der Waals）引起的可逆吸附现象。有单层吸附，也有多层吸附。 特点： 吸附质与吸附剂之间无化学反应； 对吸附气体选择性不强； 吸附速率快； 吸附为低放热过程，放热量略大于液化潜热； 吸附力不强。,化学吸附 化学反应起作用。只为单层吸附。,2020/6/27,89-7,2020/6/27,89-

3、8,严选内容,吸附等压线：,（3）吸附平衡、等温吸附线和等压吸附线,对于给定的吸附剂和吸附质，平衡时吸附剂对吸附质的吸附量q为：,吸附等温线：,2020/6/27,89-9,严选内容,I-合成沸石等吸附系的；II-Lamgmuri型；III-活性铝等吸附系的；IV-活性炭吸附水蒸气；V-BET型；VI-线性吸附,典型等温吸附线,2020/6/27,89-10,严选内容,等压吸附线,2020/6/27,89-11,严选内容,多孔介质比表面积大，所以吸附剂多为多孔介质。 多孔介质孔隙越小，比表面积越大，孔隙内吸附能力越强,（4）吸附剂结构，多孔介质，比表面积,比表面积：单位质量吸附剂具有的表面积

4、比表面积越大，吸附能力越强。,（5）吸附剂的特性参数,1）多孔吸附剂的 外观体积,2020/6/27,89-12,严选内容,2）吸附剂密度,堆积密度：,真密度：,颗粒密度：,3）孔径分布（测定吸附等温线、压汞仪等）,4）颗粒当量直径、单位体积表面积,2020/6/27,89-13,严选内容,5.1.2 等温吸附线 典型的等温吸附过程中的著名公式,（1）朗谬尔(Langmuir)公式,（2）弗雷德里克(Freundlich)公式,（3）B.E.T公式,布鲁诺（Brunauer）、埃米特（Emmett）和泰勒（Teller）,2020/6/27,89-14,5.1.3 常用吸附剂的类型和性能, 极

5、性吸附剂（亲水）,硅胶：亲水性，易吸附水分，而难于吸附非极性物质。多孔活性氧化铝：用于气体干燥，石油气脱硫，含氟废 气净化。 沸石：通常为人工合成沸石分子筛，为微孔型、具有立 方晶体的硅酸盐。对极性分子，不饱和有机物具 选择吸附能力。, 非极性吸附剂（憎水）,活性炭：疏水性，常用于空气中有机溶剂，催化脱 除尾气中SO2、NOX等恶臭物质的净化； 优点：性能稳定、抗腐蚀。,2020/6/27,89-15,水蒸气在A型和B型硅胶及活性铝中的典型吸附等温线,2020/6/27,89-16,严选内容,水蒸气在沸石中的典型吸附等温线,相对湿度（）,吸水量(),2020/6/27,89-17,严选内容,5

6、.1.4 多孔介质传质吸附,表征体元（REV)：在多孔介质中选取的一个比整体区域小得多而比单个孔隙大得多的区域。 研究时用表征体元的平均值代替局部值。,表征体元内质量扩散方程：,-孔隙率；CR-REV中气相浓度；K-REV骨架表面分离系数；De-REV中的有效扩散系数； De-多孔介质有效扩散系数,2020/6/27,89-18,多孔介质内水蒸气浓度可写为： C=CR+K(1-)CR,2020/6/27,89-19,5.1.5.1 干燥循环,干燥剂：吸附空气中水蒸汽的吸附剂。,5.1.5 空气静态吸附除湿和动态吸附除湿,干燥剂表面水蒸气分压与环境空气中水蒸气分压差决定干燥剂是吸湿还是放湿。,2

7、020/6/27,89-20,严选内容,干燥剂表面水蒸气分压 与其吸收量的关系,干燥剂吸湿量与水蒸气 分压及温度的关系,2020/6/27,89-21,干燥循环示意图,再生,吸湿,冷却,2020/6/27,89-22,严选内容,5.1.5.2 静态吸附除湿,静态除湿：吸附剂吸收密闭空间内静止空气中的水蒸气。（间歇工作）,Mq=V(0-1),该式表示达到平衡时的q和水蒸气密度的关系,平衡时间：若吸附剂和空气充分接触，经充分搅拌数小时后可达吸附平衡，无搅拌则平衡时间大为增加。,影响平衡时间的因素：吸附剂粒径、孔径大小及分布、空气流速等。,设计任务：计算吸附剂量、或计算达到平衡的时间,2020/6/

8、27,89-23,吸附剂的吸附平衡时间（无搅拌）,（a）铝胶,（b）硅胶,2020/6/27,89-24,严选内容,（c）合成沸石,2020/6/27,89-25,严选内容,吸附剂吸附平衡时间的测试,干燥器底部放入稀硫酸（维持湿度平衡），定期取出吸附剂称重，可得到吸附剂吸水率随时间的变化曲线。,2020/6/27,89-26,严选内容,使密闭容器内水蒸气密度由0降为1所需的吸附剂量为：,存在外部渗透水分时，使密闭容器内水蒸气密度由0降为1所需的吸附剂量为：,例题,2020/6/27,89-27,严选内容,5.1.5.3 动态吸附除湿,吸附剂的再生方式：,加热再生方式：供给吸附剂脱附所需的热量；

9、 减压再生方式：用减压手段降低吸附分子的分压，改变吸附平衡，实现脱附。 使用清洗气体的再生方式： 借通入一种很难被吸附的气体,降低吸附质的分压而实现脱附。 置换脱附再生方式：用具有比吸附质更强的选择吸附性物质来置换而实现脱附。,空气流经吸附剂。 优点：需要吸附剂量少、设备体积小。,（1）吸附原理和装置,2020/6/27,89-28,除湿方式： 冷却除湿（近似等温过程）：除湿的同时通过冷却流体带走吸附热； 绝热除湿（近似等焓过程）：除湿的同时温度升高。,吸附剂的选择 阻力小（空气压力损失小）；比表面积大；吸附容量大；具有较好机械强度、热稳定性及化学稳定性；,2020/6/27,89-29,固体

10、除湿器按工作方式可分为：固定式、旋转式,固定式,2020/6/27,89-30,旋转式,2020/6/27,89-31,转轮式除湿器的内部结构按吸附除湿剂的安排可分为以下三种形式：,（a）堆积床结构（b）IIT平板结构 （c）UCLA覆盖层结构,堆积床：扩散阻力大,IIT：气体侧、Teflon板阻力大，吸附剂阻力小,UCLA：气体侧阻力大，板阻力小,2020/6/27,89-32,带回热转轮除湿机动画示意图,可利用回热装置进行余热回收,2020/6/27,89-33,严选内容,（2）吸附除湿型空调系统简介,常见的系统有全新风、全回风和Dunkle型除湿空调系统,全新风型除湿空调系统工作原理图和

11、温湿图,2020/6/27,89-34,全回风型除湿空调系统工作原理图和温湿图,2020/6/27,89-35,Dunkle型除湿型空调系统工作原理图和温湿图,2020/6/27,89-36,（3）吸附法处理空气的优点,不需对空气进行温度处理或压缩 噪音低 可以得到很低的露点温度 节约能源（比表冷器除湿）,独立除湿：不依赖降温处理。 （吸附或吸收方式）,2020/6/27,89-37,5.2.1 吸收现象简介,气体吸收是用某种液体吸收气体中某种组分。,吸收能力与气体分压、温度、吸收液浓度等有关。,工作过程：吸收 - 再生（浓缩吸收液）- 吸收。,5.2 吸收剂处理空气的机理和方法,2020/6

12、/27,89-38,期望特性： 1. 表面蒸汽分压低（吸湿能力强）； 2. 对水分溶解度高（提高吸收率，减少除湿剂用量）； 3. 几乎不吸收除水蒸气外的其它气体成分； 4. 粘度低（减小流动阻力和传热阻力） 5. 高沸点、高冷凝热、高稀释热、低凝固点； 6. 稳定性好，低挥发； 7. 低腐蚀、无毒； 8. 价格低廉，容易获得。,5.2.2 常用吸收型除湿剂及其性能简介,2020/6/27,89-39,常用除湿溶液吸收性质：浓度-蒸汽压曲线（见图）,常用液体除湿剂特性,2020/6/27,89-40,5.2.3 吸收剂处理空气的原理,（1）除湿剂的表面蒸汽压,空气水蒸气分压与除湿溶液表面蒸汽压的

13、压差是湿传递的驱动力。因此表面蒸汽压越低，溶液除湿能力越强，当与湿空气达到平衡时，湿空气具有更低的相对湿度。,理想溶液（遵循拉乌尔定律）： 表面蒸汽压随溶剂的摩尔百分数呈线性变化。,2020/6/27,89-41,严选内容,除湿剂一般不是理想溶液，偏离拉乌尔定律。,用活度系数描述偏差。如果活度系数小于1，则表面蒸汽压低于同条件下的理想溶液表面蒸汽压，即比理想溶液除湿能力更强。,空气水蒸气分压与除湿溶液表面蒸汽压之间的压差是湿传递的驱动力。,2020/6/27,89-42,严选内容,典型的吸湿-再生过程,89-43,5.2.4 影响吸收的主要因素,（1）除湿器结构,绝热型除湿器 优点：结构简单、比表面积大。,2020/6/27,89-44,严选内容,内冷型除湿器 优点：吸收热被带走，因此溶液吸湿能力得以维持。,2020/6/27,89-45,严选内容,(2) 除湿剂的选择 a. 除湿溶液表面蒸汽压较低 b. 吸收热小,吸收热（克拉伯龙-克劳修斯方程）：,q-吸热量;