应用盐溶液进行压缩空气除湿的理论与实验研究
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摘 要
在压缩空气的除湿领域，最常用的是冷冻和吸附除湿，然而冷冻除湿需要电
或蒸汽等高品位能源作为动力。而吸附式除湿运行费用高，吸附剂对油极为敏感，
并且还有二次污染的风险。本文基于空气压缩后与溶液表面的水蒸汽分压力差会
增大，增强除湿过程的理论。提出了使用溶液对压缩空气进行除湿，并围绕此开展
了一系列的研究工作：
首先，文章总结了压缩空气除湿的国内外发展现状，并总结了可行的压缩空
气除湿方法。然后在此基础上，运用热力学、流体力学和传热传质等基本理论，从
火用平衡方程和火用效率出发，分别建立了压缩空气冷冻除湿系统、压缩空气溶液
除湿系统、压缩空气冷冻加吸附除湿系统的火用分析模型。并对各个系统的组成装
置逐个分析其火用损失，火用损失原因，减少火用损失的方法，火用损失在整个系
统中的影响，探讨了各系统中火用损失最大的环节，并进行了系统火用效率的比较，
得出溶液除湿系统的火用效率为 62%，比常规的冷冻除湿系统 58%以及冷冻加吸
附除湿系统 57%节能，并且节能潜力也比常规的除湿系统高。从而在理论上验证
了使用溶液法对压缩空气进行除湿的可行性及优越性。
其次，设计了压缩空气溶液除湿系统，除湿剂采用氯化锂溶液，系统除湿器选
用填料吸收塔。由于在溶液除湿系统中除湿器是核心部件，文章对详细设计计算除
湿器，其采用绝热填料式，填料选用 250Y 型金属孔板波纹填料，除湿塔直径为
500mm，填料高度为 1000mm，除湿器中丝网除沫器网层厚度为 150mm，除沫器
直径为 360mm。喷淋设备中的喷嘴选用实心锥喷嘴。并在此基础上设计搭建了压
缩空气溶液除湿实验台，确定了系统中的设备、测量仪器以及测点分布。
最后，在传热传质理论的基础上，建立了通过离散数值求解的方法进行求解
计算的逆流除湿器内部溶液与空气的热质交换的数值解模型，制订了压缩空气溶
液除湿的数值计算流程图，然后利用数值解模型对压缩空气溶液除湿系统中的除
湿效果进行研究与分析，并得到了除湿量与进口空气温度、压力、含湿量，溶液温
度、浓度，气液比的回归公式为后续研究提供参照。
本课题验证了压缩空气溶液除湿系统的可行性，经分析得出使用溶液法对压
缩空气除湿的效率高达 90%左右。0.8MPa 下，进口含湿量为 18.4g/kg 的压缩空气，
出口含湿量可达 1.39g/kg。所得结论对今后研究溶液法在压缩空气除湿领域的应用
提供了借鉴。
关键词： 压缩空气 火用分析 溶液除湿 数值模拟 回归分析
ABSTRACT
In the field of compressed air dehumidification, the freezing dehumidification and
adsorption dehumidification are commonly used. However, the freezing dehumidification
uses the electric or steam as power, and the adsorption is extremely sensitive to oil with
high cost and the risk of secondary pollution. The dehumidification process will be
enhanced with the increased water vapor pressure difference between the compressed air
and the solution surface, so this paper puts forward a solution dehumidification system to
dehumidify the compressed air. Around these issues, this paper carries out a series of
research work.
Firstly, this paper summarizes the development status of the compressed air
dehumidification and practicable dehumidification methods. Based on the above analysis
and the theory of thermodynamics, fluid mechanics and heat and mass transfer, the exergy
analysis models of compressed air refrigeration dehumidification system, solution
dehumidification system and refrigeration-adsorption dehumidification system are
established according to the exergy balance equation and exergy efficiency. By
calculating the composition exergy losses of all the systems, analyze the reason for exergy
losses, the method of reducing exergy losses, the influence of exergy losses in the whole
system with discussing the maximum segment of exergy losses and comparing the exergy
efficiency. The results show that the exergy efficiency of solution dehumidification
system is 62%, the conventional refrigeration dehumidification system is 58% and the
refrigeration-adsorption dehumidification system is 57%, with the energy saving
efficiency of solution dehumidification system being highest.
Secondly, this paper designs a solution dehumidification system to dehumidify the
compressed air by using LiCl as the desiccant and the packing absorption tower as the
dehumidifier. The dehumidifier is the core component of the solution dehumidification
system. Through the detailed calculation and design, the dehumidifier adopts adiabatic
packing type with 250Y metal mellapale packing, and the dehumidifier has a diameter of
500mm with the height of packing being 1000mm. The diameter of wire mesh demister
is 360mm with its wire mesh thickness being 150mm. Solid wimble nozzles are selected
in the spray equipment. Furthermore, the experiment platform of compressed air solution
dehumidification is built up, and the corresponding equipment, measuring instruments
and the measuring point distribution of the system are also determined.
Finally，based on the theory of heat and mass transfer, this paper establishes a
numerical model of heat and mass transfer between the solution in the countercurrent
dehumidifier and air applying discrete method, and draws a numerical calculation
flowchart about compressed air solution dehumidification. Through the research and
analysis of the efficiency for solution dehumidification system, a regression equation
between the dehumidification and the inlet air temperature, pressure, humidity, solution
temperature, concentration and gas to liquid ratio is obtained, which can provide a
reference to the further research.
This paper proves the feasibility of the compressed air solution dehumidification
system. And the research results show that the compressed air with the inlet moisture
being 18.4g/kg under 0.8MPa, will be treated to 1.39g/kg, which provides the reference
for the application of solution dehumidification in compressed air dehumidification.
Key Word: Compressed Air, Exergy Analysis, Solution Dehumidification,
Numerical Simulation, Regression Analysis
目录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ..................................................................................................................... 1
1.1 课题来源及研究意义 ........................................................................................ 1
1.2 压缩空气除湿的国内外发展现状 .................................................................... 3
1.2.1 国外发展现状 ............................................................................................. 3
1.2.2 国内发展现状 ............................................................................................. 3
1.3 压缩空气除湿方法综述 .................................................................................... 4
1.3.1 冷冻干燥法 .................................................................................................. 4
1.3.2 吸附干燥法 .................................................................................................. 5
1.3.3 可溶性盐吸收法 .......................................................................................... 7
1.3.4 液体吸收法 .................................................................................................. 7
1.3.5 压力升降法 .................................................................................................. 8
1.3.6 膜脱湿法 ...................................................................................................... 9
1.4 本课题的研究内容、关键技术及研究路线 .................................................. 10
1.4.1 本课题主要研究内容 ............................................................................... 10
1.4.2 研究关键技术 ........................................................................................... 10
1.4.3 研究路线 .................................................................................................... 10
第二章 压缩空气除湿热力学分析 .............................................................................. 12
2.1 火用分析基本理论概述 ................................................................................... 12
2.2 压缩空气除湿系统火用分析 .......................................................................... 13
2.2.1 冷冻除湿系统火用分析 ........................................................................... 13
2.2.2 溶液除湿系统火用分析 ........................................................................... 15
2.2.3 冷冻加吸附除湿系统火用分析 ............................................................... 18
2.3 系统火用分析计算比较 .................................................................................. 20
2.3.1 冷冻除湿系统的火用分析计算 ............................................................... 20
2.3.2 溶液除湿系统的火用分析计算 ............................................................... 22
2.3.3 冷冻加吸附除湿系统的火用分析计算 ................................................... 24
2.3.4 三种系统的火用效率比较 ....................................................................... 26
2.4 本章小结 .......................................................................................................... 28
第三章 压缩空气溶液除湿系统的设计 ...................................................................... 29
3.1 压缩空气溶液除湿系统的设计 ...................................................................... 29
3.2. 除湿剂的选择 ................................................................................................. 31
3.3. 除湿器的设计计算 ......................................................................................... 32
3.4. 系统设计目的 ................................................................................................. 39
3.5. 系统设备及测试仪器 ..................................................................................... 40
3.5.1 系统设备组成 ........................................................................................... 40
3.5.2 测试仪器简介 ........................................................................................... 44
3.6 本章小结 .......................................................................................................... 44
第四章 除湿器模型的建立 .......................................................................................... 45
4.1 填料除湿器的数学模型 .................................................................................. 45
4.1.1 填料除湿的机理分析 ............................................................................... 45
4.1.2 填料除湿的数学模型建立 ....................................................................... 46
4.2 模型中未知参数的确定 .................................................................................. 53
4.2.1 有效润湿面积 ............................................................................................ 53
4.2.2 传热传质系数的确定 ................................................................................ 54
4.2.3 湿空气参数的确定 ................................................................................... 55
4.2.4 氯化锂溶液参数的确定 ........................................................................... 58
4.3 除湿器性能评价指标 ...................................................................................... 60
4.4 模型的计算程序 .............................................................................................. 62
4.5 模拟结果分析 .................................................................................................. 64
4.5.1 不同空气进口含湿量下的性能分析 ........................................................ 64
4.5.2 不同空气进口温度下的性能分析 ............................................................ 66
4.5.3 不同气液比下的性能分析 ........................................................................ 67
4.5.4 不同溶液进口温度下的性能分析 ............................................................ 68
4.5.5 不同溶液进口浓度下的性能分析 ............................................................ 69
4.5.6 不同压力下的性能分析 ............................................................................ 70
4.6 模拟结果的回归分析 ...................................................................................... 71
4.7 本章小结 .......................................................................................................... 75
第五章 结论与展望 ...................................................................................................... 77
5.1 结论 .................................................................................................................. 77
5.2 溶液法在压缩空气除湿领域的应用 .............................................................. 78
5.3 有待继续研究的内容 ...................................................................................... 78
符号表 ............................................................................................................................ 79
参考文献 ........................................................................................................................ 81
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 85
致谢 ................................................................................................................................ 86
第一章 绪论
1
第一章 绪论
1.1 课题来源及研究意义
作为常用的多用途工艺气源，压缩空气已被企业界公认为仅次于电力的第二
大动力源[
1
]。它方便管道输运，没有危险无公害无污染 [
2
]，被广泛应用在包装，
机械，电力，医药，电子，化工，食品，交通，采矿等众多工业领域。
作为气源，因为空压机出口的压缩空气中含有大量的水、油、粉尘以及灰尘
等混合物杂质。对于工艺上使用压缩空气的各行业，若将含有杂质的压缩空气直
接输运到工艺上的使用设备，会给整个系统带来一系列的不良后果，气体污染的
危害不可低估。比如，压缩空气中的水分会造成输送管道以及末端金属零件（模
具等）腐蚀生锈；造成气动活塞传动装置中元件失灵，影响可靠操作以及寿命，
在仪表控制系统及执行机构中，会因析出水分而导致线圈短路受损，也会引起执
行机构咬死；在喷漆工艺中，产品气中的水分、油分会降低压缩空气质量，还会
造成许多化工流程无法实行。因此，在使用压缩空气前必需对它进行净化，同时
也要祛除压缩空气中的水分、油分以及粉尘，使其满足一定的质量等级。
压缩空气的质量要求主要可以分为 3个方面：
（1）压力要求：压缩空气的压力是表征压缩空气质量最基础的要求。压缩空
气领域最常用的压力是 0.7MPa。例如电厂仪用压缩空气的压力范围是 0.4-1MPa，
在高炉鼓风机后压缩空气压力值为 0.3-0.6MPa；在军工企业的要求可达 20 到
30MPa。
（2）露点温度要求：在不同的场合对压缩空气的露点要求也不尽相同。例
如，在喷漆工艺中压力露点的范围一般是在 10℃到-25℃，而在气动传输、塑料
等行业压力露点的范围一般是在 105℃到-60℃，芯片行业对压缩空气的露点温度
的要求甚至达到了-70℃，而在大多数场合 0℃以上的露点温度已经满足工艺要
求。一般使用冷干机或者吸干机来实现压缩空气的露点温度。
（3）洁净度要求：压缩空气中含有杂质会导致产品质量的下降，下级设备
寿命的下降等一系列问题。压缩空气过滤器能祛除压缩空气中的灰尘、有害气
体、微生物等杂质。
压缩空气中的水、油，灰尘可以被过滤，但水蒸汽必须通过特殊的干燥设备
除去。GB/T13277.1—2008 《压缩空气污染物净化等级行业标准》对压缩空气中
应用盐溶液进行压缩空气除湿的理论与实验研究
2
的湿度等级做出了明确的规定。见表 1-1。表按照 ISO 8573-3 来测量压力露点。
当对压力露点的要求低于此标准时，应做出明确规定。
表1-1 湿度等级
等级
压力露点/℃
0
更高的要求
1
≤-70
2
≤-40
3
≤-20
4
≤+3
5
≤+7
6
≤+10
对于压缩空气除湿，目前，国内工业气体脱湿仍采用传统的冷冻和吸附干燥
的方法，例如 2012 年，孙全江等在《冷干机和吸干机组合的压缩空气净化系统
优化方案》中对某电厂气力输送系统中的冷干机和吸干机进行优化配置。2011
年，黑龙江轻工设计院李磐洁在《黑龙江纺织》中对现有的压缩空气冷冻、吸
附、冷冻-吸附复合式干燥三种典型方法作出了详尽的介绍。近年来，压缩空气膜
法脱湿技术有了较大的发展。
但是传统的冷干机采用冷冻法祛除压缩空气中的水分，而空压机出口的压缩
空气温度较高，因此耗能较大。而吸附干燥机对于近气含湿量变化大的情况，会
有干燥器再生时间不够的问题[
3
]，并且还会有二次污染的发生，从而在一定程度
上，给工业生产造成困扰。然而新的膜脱湿技术也有其自身的缺点，渗透膜对油
非常敏感，所以气源需进行严格的除油处理。而且膜除湿法负荷小，价格昂贵是
当前广泛使用的主要障碍。
加压后空气中的水蒸气分压力会升高，加压溶液表面的水蒸汽分压力会下
降，因此，如果使用溶液对压缩空气除湿，则空气与溶液表面的水蒸汽分压力差
会比常压时大，传质驱动力增加，从而除湿过程会增强。因此本文提出使用加压
溶液对压缩空气进行除湿，并且用高温压缩空气再生溶液。这样不但提高了压缩
空气品质，回收了压缩空气的余热，并获得了较低的压缩空气含湿量。
由于能量有“量”和“质”的特征，因而综合这两方面分析系统所具有的能量非
常必要。对于能量品质的分析是火用概念提出的目的。在火用分析法中，能量被
分为火用和火无两部分，火用是能量中可转换为功的部分，火无是能量中不可转
换为功的部分。因此用火用来描述能量的质是很有道理的 [
4
] [
5
]。
第一章 绪论
3
1.2 压缩空气除湿的国内外发展现状
1.2.1 国外发展现状
关于压缩空气除湿，早在 50 年代，国外就使用了加热再生式吸干机，这种干
燥器能基本满足气动仪表、气动系统的要求。
60 代，出现了不需要加热的无热再生吸干机，这种设备不仅避开加热设备并
且减少了系统部件，吸附剂又能再生，从而节约了除湿成本以及运行费用。在当时
工业中得到广泛的应用。
70 年代后期，随着除湿技术的不断进步，冷干机的除湿成本下降，除湿效果
及除湿稳定性都得到提高，对于露点温度为 0℃以上的场合，其应用日趋增加。
80 年代，冷干机在压缩空气除湿领域已经占据了一定的地位。科学家进一步
改进了其内部的空气换热器及蒸发器，大大减小了冷干机设备的体积，提高了冷干
机性能。
80 年代后期，压缩空气膜除湿技术已在一些发达国家实现工业化。
在21 世纪，发达国家已逐渐开始尝试使用这种先进的膜分离脱湿技术 [
6
] [
7
]。
1.2.2 国内发展现状
对于压缩空气除湿技术，国内大约晚起步了十年。
60 年代加热再生式吸附干燥器才开始在我国应用；
70 年代末，开始研制无热再生式吸附干燥器；
80 年代初，国内才出现第一台冷干机。
90 年代，国内在压缩空气除湿领域的设备上发展较大，推出了“组合式低露点
干燥机”即将冷干机和吸干机结合起来，冷冻式干燥机与变压变温吸附式干燥机之
间有着非常紧密的内在联系而不可分割 [
8
] [
9
]。这样的组合式干燥机结合了两者的
特点，具有能耗低、运行稳定、出口压力露点低的特点[
10
]。当时国内的组合式干燥
器已能够提供与国外进口产品媲美的产品质量 [
11
]。
到21 世纪，传统的压缩空气脱湿方法依然是采用冷冻干燥法、吸附干燥法、
冷冻-吸附干燥法。国内大量学者 [
12
] [
13
] [
14
] [
15
] [
16
] [
17
]对这三种压缩空气脱湿方法的
基本原理、优缺点、应用场合、工艺选择进行了比较分析，对制备压力露点为 0℃
以下的压缩空气，吸干机几乎是唯一的选择；而对制备气量大，高于零度压力露点
的干燥压缩空气，主要推崇冷冻除湿法。
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2025-01-09 5
作者：侯斌
分类：高等教育资料
价格：15积分
属性：90 页
大小：3.8MB
格式：PDF
时间：2025-01-09
