热质交换原理与设备课程第4章3吸附材料处理空气的机理和方法

热质交换原理与设备课程第4章3吸附处理空气的机理和方法4.4.1吸附的基本知识和概念（1）吸附、吸附剂和吸附质吸附：是指多孔固体材料与流体接触，流体相中的某一组分或多种组分累积在固体表面，使流体发生数量和浓度改变的过程。解吸（脱附）：被吸附的物质重新回到气相；吸附剂：使气体浓缩的物质；吸附质：被浓缩的物质　例：活性碳吸附空气中的有害气体、沸石分子筛分离空气制氧选择性吸附：吸附剂对不同种类吸附能力的大小或差异，应用在化工行业的气体分离行业。（1）吸附、吸附剂和吸附质（续）吸附现象产生的原因范德华力存在于所有物质的分子之间表面的分子或原子处于非平衡力作用之下，具有表面能；总内能：单位质量的总内能：当物质的比表面积很大时，表面能很大，使得气体分子在固体表面积聚，即吸附。多孔性介质具有较强吸附能力（２）吸附的种类物理吸附：只依靠普遍存在于分子间的范德华力起作用，可以是单层吸附和多层吸附；化学吸附：起因于吸附质分子与吸附剂表面分子的化学作用，在吸附过程中发生化学反应，多为单层吸附。物理吸附和化学吸附的区别吸附的性质：物理吸附：范德华力的作用，不发生电子转移和化学键的生成和破坏，凝聚现象。化学吸附：生成表面吸附键，形成表面化合物。吸附热：所有吸附过程都是放热反应。物理吸附：热效应小（范德华力作用小)，21-63kJ/mol，相当于1.5-3倍凝结热；化学吸附：热效应大，42-125kJ/mol,相当于化学反应热可逆性：物理吸附可逆、易脱附或解吸；化学吸附不可逆，不易脱附或解吸。吸附速度：物理吸附速度很快，容易达到吸附平衡，受温度影响小;化学吸附需要一定的活化能，吸附速度较慢，受温度影响很大。物理吸附和化学吸附的区别（续）物理吸附可以是单分子层，也可以是多分子层吸附；化学吸附只是单分子层吸附。物理吸附与凝聚有关，只有在低于或接近吸附物质的沸点温度下才会发生。化学吸附只有当温度高于某一最低值时才会以显著的速度进行。化学吸附和物理吸附的区别在于吸附质的光谱不同，随着条件（如温度）的不同两者之间是可以相互转化的。对固体吸附剂的要求（1）比表面积大网格结构的微孔（2）吸附容量大（3）吸附力小，再生温度低，活化后残余吸附物少（4）吸附热小，循环的经济性高（5）与吸附物之间无破坏作用（6）吸附速度快，易达到吸附平衡（7）比热小，热传导性好（8）耐热而抗磨，不产生粉末，不易破碎（9）气流阻力小（10）多次使用，来源充足，价格便宜吸附剂的活化处理两种方法：加热脱附和降压脱附（３）吸附平衡、吸附等温线和吸附等压线吸附量：吸附剂的吸附能力，用吸附量表示，即当吸附达到平衡时，单位质量吸附剂吸附气体的体积（状态）或摩尔数。往往通过实验确定。对于给定的吸附剂和吸附质：固定一个变量，研究其他两个变量之间的关系，所得到的曲线称为吸附曲线。——等温吸附曲线(a)——等压吸附曲线(b)（３）吸附曲线吸附量与压力的关系曲线吸附量与温度关系曲线吸附等温线吸附等压线典型的等温吸附线(a)合成沸石等吸附系(b)硅胶(c)活性铝等吸附系(d)活性碳吸附水蒸汽(e)BET型吸附(f)线性的吸附等温线（４）吸附剂的结构吸附剂为多孔介质；多孔介质中孔的分类：微孔、过渡孔和大孔。微孔过渡孔大孔孔径（埃，0.1nm）５－１５１５－２０００大于２０００比表面积（ｍ２／ｇ）大于４００１０－４０００0.5-2特点在微孔的整个空间存在吸附力场进入微孔的主要通道通向吸附剂颗粒内部的粗孔道代表物质ＺＭＳ、ＣＭＳ硅胶、铝凝胶（５）吸附剂的特性参数多孔介质的体积：真密度：颗粒密度：堆积密度：真密度颗粒密度间隙孔颗粒空隙率：（５）吸附剂的特性参数（续）孔径分布：多孔介质中孔体积按孔大小（尺寸）的分布情况。单位体积表面积4.4.2吸附等温线表示等温条件下，平衡吸附量与气相组分压力的关系；Henry定律　　低浓度气体吸附于均一的表面时，认为吸附质分子相互独立，并且保持原分子的状态。此时，气相和吸附相之间的平衡浓度呈线性关系，可以采用Henry定律表示平衡吸附量和气相浓度的关系4.4.2吸附等温线（续）　　分子吸附于吸附剂表面有限的已知局部空位上；每个空位吸附一个吸附质分子；在理想均匀的表面上，所有的空位具有相同的能量；吸附于相邻空位上的分子互相不发生作用。在以上假设的基础上，利用简单的动力学推导方法可以得出Langmuir方程。Langmuir方程4.4.3常用吸附剂的类型和性能常用的固体吸附剂分类　极性吸附剂：具有亲水性。有硅胶、多孔活性铝、沸石等铝硅酸盐类吸附剂。　非极性吸附剂:具有憎水性，吸附剂对油的亲和性比水强。活性碳、碳分子筛（１）硅胶　是传统的吸附除湿剂，是硅酸的胶体溶液通过受控脱水凝结后形成的吸附剂颗粒。　优点:具有较大的表面积和优异的表面性质，在较大相对湿度范围内对水蒸汽有较好的吸附特性。缺点：若暴露在水滴中很快裂解成粉末，失去除湿性能。常规密度硅胶:表面积为750～850m2/g，平均孔径为22～26埃(2.2～2.6nm)；低密度硅胶:相应值分别为300～350m2/g和100～150埃(10～15nm)；再生：加热到150℃即可再生。硅胶颗粒不同吸附剂在25℃下对常压空气中水蒸汽的平衡吸附曲线氧化铝-A粒状,B球状；C-硅胶；D-5A沸石；E-活性碳水蒸汽在A型和B型硅胶及活性铝中的典型吸附等温线根据微孔尺寸分布，商业上硅胶分为A、B两种，它们对水蒸汽的吸附等温线不同。A型硅胶适用于普通干燥除湿，B型则更适合于空气相对湿度大于50%时的除湿。一种多孔性的吸附剂。具有很大的比表面积及高度的吸附活性该产品具有很高的机械强度，物化性能稳定，耐高温耐冲刷；并具有良好的再生复原性能。用途应用作高效吸附剂及各种催化剂的载体。（2）活性氧化铝项目单位指标规格mmF2-3F3-5F4-6比表面积m2/g≥300孔容ml/g≥0.4静态吸附(50RH)%wt≥22强度N/颗≥80(F3-5mm)堆积密度(紧)Kg/L≥0.70出厂包装含水量%wt≤1.5四边形晶状结构，沸石具有独特的吸附特性：沸石具有非常一致的微孔尺寸，因而可以根据分子大小有选择地吸收或排斥分子，故而称作分子筛沸石（ZMS）。主要用在气体分离上，分离空气制氧等（3）沸石硅胶及沸石分子筛对水蒸汽的典型吸附等温线变压吸附制氧专用分子筛项目单位VP800PSO2-VSP应用工艺PSA、VPSAPSA制氧规模Nm3/h5-1500600以上产品规格mmφ1.6-2.5Φ0.6-0.9堆积密度KG/L≥0.67≥0.66抗压强度N/颗≥25≥16磨耗率%wt≤0.3≤0.2包装水吸附%wt≤1.5≤1.5富氧浓度%93±293-95吸附压力0.28～0.4Mpa0.3～0.5Mpa再生压力常压（3-5kg）常压循环时间S3045产氧率（100%O2计）NL/kgh≥20≥18PSA沸石分子筛分离空气制氧5A沸石分子筛PSA过程VSA过程TSA过程吸附和解吸的过程和应用PSA分离技术的主要应用分离过程产品吸附剂PSA类型从燃料气中回收氢气高纯氢气活性碳或沸石分子筛多床系统无热干燥过程干燥的空气活性三氧化二铝两床Skarstrom循环或VSA循环空气分离氧气（氩气）5A沸石分子筛两床Skarstrom循环空气分离氮气（氩气）碳分子筛两床自清洗循环空气分离氮气和氧气5A沸石分子筛或CaX型分子筛VSA变压吸附循环Isosiv过程直链烃和支链烃5A沸石分子筛真空解吸变压吸附循环垃圾填埋气分离二氧化碳和甲烷碳分子筛VSA过程1－过滤器；2－压缩机；3－两位五通电磁阀；4－干燥吸附塔；5－反吹阀；6－单向阀；7－气动阀门；8－分子筛吸附塔；9－反吹阀；10－单向阀；11－储气罐；12－汇流排；13－电磁阀沸石分子筛制氧装置工艺流程4.4.5空气静态吸附除湿和动态吸附除湿（1）干燥循环干燥剂：吸附空气中水蒸汽的吸附剂原因：干燥剂表面的水蒸汽压力与环境空气的蒸汽压力差造成干燥剂吸湿量与水蒸汽分压及温度的关系干燥循环示意图干燥循环（2）静态吸附除湿静态除湿：吸附剂和密闭空间内的静止空气接触时，吸附空气中水蒸汽的方法。设计的任务：选择合适的吸附剂计算出达到平衡的时间动态吸附除湿法：让湿空气流经吸附剂的除湿方法。动态吸附除湿优点：所需的吸附剂量较少；设备占地面积小；运行费用低；可以处理大的空气流量。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。（3）动态吸附除湿(1)加热再生方式(thermalswingsystem)(2)减压再生方式(pressureswingsystem)(3)使用清洗气体的再生方式(purgegasstrippingsystem)(4)置换脱附再生方式(displacementstrippingsystem)（1）（3）方式组合的再生加热方式应用最多，（2）（3）组合的非加热方式次之。吸附剂的再生方式3.按照除湿的方式分为：a.冷却除湿: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；b.绝热除湿: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。a.固定式(吸附床）采用周期性切换的方法，保证一部分吸附剂进行除湿过程，另一部分吸附剂同时进行再生过程。特点:气流和吸附剂充分接触，得到的空气湿度小，处理量小。固体除湿器分类b.旋转式通过转轮的旋转，使被除湿的气流所流经的转轮除湿器的扇形部分对湿空气进行除湿，而再生气流流过的剩余扇形部分同时进行吸附剂的再生。转轮式除湿器可以连续工作、操作简便、结构紧凑、易于维护，所以在空调领域常被应用。除湿轮被加工成密集的蜂窝状孔道，湿交换面积很大；空气通过除湿轮除湿区，充分与吸湿剂接触，水蒸汽被吸收并放出吸附热。空气成为湿度降低温度升高的干燥空气从除湿轮的另一侧流出。转轮除湿机示意图吸附式除湿空调系统中的吸附转轮(a）堆积床结构(b)IIT平板结构(c)UCLA覆盖层结构转轮式除湿器的内部结构实际应用中固体转轮除湿器可以利用空—空换热器进行余热回收，以节约再生热量或电能消耗；如果与风冷或水冷冷凝器配合使用，则除湿器可用于不便排放热湿废气的场所。（2）吸附除湿型空调系统简介常见的除湿型空调系统:1.全新风除湿型空调系统；2.全回风除湿型空调系统；3.Durkle型除湿型空调系统。除湿型空调系统图4-21全新风除湿型空调系统工作原理图和温湿图1-蒸发冷却器，2-热交换器，3-加热器。4-除湿器温湿图图4-22全回风除湿型空调系统工作原理与温湿图温湿图图4-23Dunkel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-加热器温湿图（3）吸附法处理空气的优点吸附法除湿的优点：既不需要对空气进行冷却也不需要对空气进行压缩。且可以得到很低的露点温度。表冷器除湿的缺点：冷媒温度要求低于空气露点温度。降低了制冷剂的COP值。自然冷源无法利用。冷凝水易产生霉菌，影响空气质量。独立除湿：空气的降温和除湿分开独立进行。典型的独立除湿方式主要采用吸收或吸附方式。