热值交换原理与设备-第5章

第五章吸附和吸收处理空气的原理与方法47-12020/1/3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5.247-22020/1/35.1吸附材料处理空气的原理和方法47-32020/1/35.1.1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（VanderWaals）: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47-42020/1/3AuMuUsmMAuuMUsm表面能物质的总能量当物质的比表面积比较大时，表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。47-52020/1/3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。47-62020/1/3（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（VanderWaals）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。47-72020/1/3吸附作用力（物）：一种物理作用，分子间力（范德华力）；（化）：一种表面化学反应（化学键力）。吸附速率（物）：极快，常常瞬间即达平衡；（化）：较慢，达平衡需较长时间。吸附热（区别二者的重要标志）（物）：与气体的液化潜热相近,较小（几百焦耳/mol）（化）：与化学反应热相近，很大（42kJ/mol）。选择性（物）：没有多大的选择性（可逆）；（化）：具有较高的选择性（不可逆）。温度的影响（物）：吸附与脱附速率一般不受温度的影响，但吸附量随温度上升而下降；（化）：可看成一个表面化学过程，需一定的活化能，吸附与脱附速率随温度升高而明显加快。吸附层厚度（物）：单分子层或双分子层，解析容易，；（化）：总是单分子层或单原子层，且不易解吸。47-82020/1/3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：),(Tpfq吸附等温线：常数pTfq),(1常数Tpfq),(247-92020/1/3I-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47-102020/1/3等压吸附线2-物理吸附1-化学吸附3-过渡区（非平衡吸附区）温度吸附量47-112020/1/3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比表面积越大，吸附能力越强。（5）吸附剂的特性参数骨架体积颗粒内细孔体积颗粒间隙体积真孔隙真孔隙堆VVVVVVV1）多孔吸附剂的外观体积47-122020/1/32）吸附剂密度堆积密度：堆VM真密度：真VMs颗粒密度：隙堆真孔VVMVVMp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Vssd6（颗粒体积）颗粒表面积）pVSs(pV47-132020/1/35.1.2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bpbpqqm1)()(饱和吸附量平衡吸附量表面覆盖度（2）弗雷德里克(Freundlich)公式nkCq/1（3）B.E.T公式)//1)(/1(/0000ppkppppppkqqm布鲁诺（Brunauer）、埃米特（Emmett）和泰勒（Teller）47-142020/1/35.1.3常用吸附剂的类型和性能极性吸附剂（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。47-152020/1/3水蒸气在A型和B型硅胶及活性铝中的典型吸附等温线47-162020/1/3水蒸气在沸石中的典型吸附等温线相对湿度（％）吸水量(％)47-172020/1/35.1.4多孔介质传质吸附ReRRCDtCKtC2)1(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：ε-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；εDe-多孔介质有效扩散系数47-182020/1/3ReRRCDtCKtC2)1(多孔介质内水蒸气浓度可写为：C=εCR+K(1-ε)CRReRCDtCK211KRd11引入阻滞因子RdeRCRDtC2deRRDDCDtC/2＝其中47-192020/1/35.1.5.1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。47-202020/1/3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47-212020/1/3干燥循环示意图再生吸湿冷却47-222020/1/35.1.5.2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(ρ0-ρ1)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47-232020/1/3吸附剂的吸附平衡时间（无搅拌）（a）铝胶（b）硅胶47-242020/1/3（c）合成沸石47-252020/1/3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。47-262020/1/302110)())((qRWMMvVM使密闭容器内水蒸气密度由ρ0降为ρ1所需的吸附剂量为：010)(qVM存在外部渗透水分时，使密闭容器内水蒸气密度由ρ0降为ρ1所需的吸附剂量为：的水分量：由外部渗透到容器内干）；：干燥物品的总重量（量：干燥物品要求的含水：干燥物品含水量；：干燥物品容积；其中RWv;MM21例题47-272020/1/35.1.5.3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；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47-282020/1/3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；47-292020/1/3固体除湿器按工作方式可分为：固定式、旋转式固定式47-302020/1/3旋转式47-312020/1/3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47-322020/1/3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47-332020/1/3（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温湿图abcdefghi含湿量温度47-342020/1/3全回风型除湿空调系统工作原理图和温湿图fghi含湿量温度abcdec47-352020/1/3Dunkle型除湿型空调系统工作原理图和温湿图含湿量温度hijkiadfgebc47-362020/1/3（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）47-372020/1/35.2.1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47-382020/1/3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47-392020/1/3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氯化钙溶液氯化锂溶液溴化锂溶液二甘醇三甘醇毒性腐蚀性稳定性用途无无无无无中中中中中稳定稳定稳定稳定稳定城市燃气除湿空调、杀菌、低温干燥空调除湿一般气体除湿空调、一般气体除湿挥发性不不不易易47-402020/1/3溶剂的摩尔百分数。压力的蒸汽压力；纯溶剂在溶液的温度和溶剂的蒸汽分压；:::1010xppxpp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。47-412020/1/3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。质量浓度（％）204510氯化钙溶液氯化锂溶液质量浓度（％）406510溴化锂溶液47-422020/1/3典型的吸湿-再生过程12345.2.4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。稀溶液出口处理空气出口液滴过滤器填料处理空气入口处理空气入口浓溶液入口47-442020/1/3•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。稀溶液出口处理空气出口处理空气入口浓溶液入口冷却水入口冷却水出口47-452020/1/3吸收剂kgkJTpRTTpRq/ln1ln2(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;R-水蒸气气体常数;p-压力;T-温度47-462020/1/3传热传质过程报告（2000字以上）（1）论述传质冷却的机理，并给出工程实际的应用及其最新进展。（2）列举自然界和工程实际中热质交换的实例，并阐述传热传质机理。基本要求：题目，摘要，关键词，引言，问题提出，数学模型，求解（进展），结论，参考文献，体会作业：教材上思考题47-472020/1/3TheEnd