Осушение воздуха твердыми и жидкими сорбентами

Адсорбция – это процесс поглощения одного или нескольких компонентов из газовой смеси или раствора твердым веществом – адсорбентом. К числу наиболее широко применяемых твердых сорбентов относятся: силикагель (SiO₂), окись алюминия (Al₂O₃), активированный уголь, цеолиты и другие вещества.

Абсорбцией называют процесс газов и паров жидкими поглотителями (абсорбентами). В качестве жидких поглотителей влаги могут быть использованы растворы хлористого калия (СаCl₂), хлористого лития (LiCl₂), бромистого лития и др.

Осушка воздуха твердыми сорбентами. В качестве адсорбентов применяют пористые вещества с большой удельной поверхностью, обычно относимой к единице массы вещества. Адсорбенты характеризуются своей поглотительной или адсорбционной способностью. Для осушки воздуха наиболее часто применяют силикагель, который представляет собой продукты обезвоживания геля кремниевой кислоты, получаемые путем обработки раствора силиката натрия (растворимого стекла) минеральными кислотами. Удельная поверхность силикагелей от 400 до 770 м²/г. Размер гранул от 0,2 до 7 мм, насыпная плотность 400…800 г/л. Обводненность силикагеля в конце периода его эффективной работы достигает 9…11 % от общей его массы. При помощи силикагеля достигается глубокое осушение воздуха, характеризуемое конечным влагосодержанием 0,02 г/кг, чему соответствует температура точки росы осушенного воздуха минус 50 °С. Однако по мере увлажнения силикагеля эффективность осушки уменьшается, и при достижении предельной влажности слой сорбента прекращает поглощение влаги из воздуха. Для восстановления адсорбционных свойств сорбент подвергают активации путем удаления из капилляров накопившейся в них влаги. Активацию производят нагревом сорбента до температуры выше 100 °С или продувкой через слой сорбента горячего воздуха, имеющего температуру 150…180 °С.

Сущность адсорбции влаги из воздуха состоит в следующем. Водяной пар, адсорбированный поверхностью капилляра и сконденсировавшийся на ней, образуют в капилляре вогнутый мениск воды. Парциальное давление насыщенного водяного пара над вогнутой поверхностью воды ниже, чем над плоской поверхностью при той же температуре. Вследствие этого пар из воздуха будет диффундировать в полость капилляров и там конденсироваться. Интенсивность осушки воздуха твердыми сорбентами определяется разностью парциальных давлений насыщенного водяного пара над поверхностью мениска в капилляре и водяного пара в осушаемом воздухе. Этот перепад давлений зависит от диаметра капилляров, определяющих кривизну мениска, температуры и влагосодержания осушаемого воздуха. При повышении температуры воздуха или снижении парциального давления водяного пара в осушаемом воздухе интенсивность осушки снижается, так как в результате действия каждого из этих факторов уменьшается разность между парциальными давлениями водяного пара в осушаемом воздухе и на поверхности мениска в капилляре. При некоторой температуре эти давления могут стать одинаковыми, и тогда перенос влаги прекратится. При дальнейшем повышении температуры сорбента парциальное давление насыщенного водяного пара над мениском воды в капиллярах станет выше давления водяного пара в воздухе, и тогда начинается обратный процесс переноса влаги из капилляров сорбента в воздух. Это свойство используется при восстановлении влагопоглотительной способности (активации) сорбентов.

В процессе тепло-и массообмена при осушении воздуха адсорбентами выделяется теплота сорбции, которая состоит из скрытой теплоты конденсации и теплоты смачивания, освобождавшейся при контакте жидкой и твердой поверхностей. В результате преобразования скрытой теплоты в явную температура осушаемого воздуха повышается и может достигнуть 40…50 °С, что является недостатком твердых сорбентов. Обычно процесс осушения воздуха адсорбентами изображается в I-d диаграмме по линии I = const (рис. 5).

Осушка воздуха производится с помощью аппаратов двух видов: с непрерывно вращающимся поглощающим слоем и с неподвижным слоем. В аппаратах первого типа около 75 % адсорбента постоянно находится в потоке осушаемого воздуха, а 25 %, проходя через поток горячего воздуха, отдает влагу и восстанавливает свою поглощающую способность. В аппаратах второго типа адсорбирующий материал неподвижен, одна его часть поглощает влагу, а другая в это время находится в процессе десорбции. Переключение с режима поглощения на режим десобции производится через определенный промежуток времени системой автоматики.

Расчет адсорбционных установок.Расчет адсорбционной установки сводится к определению необходимого количества сорбента, площади лобового сечения слоя сорбента и его толщины.

Количество влаги, подлежащей удалению из воздуха равно:

W = G (d₁ − d₂)∙τ_c, (88)

где G − расход воздуха, кг/с; d₁, d₂ − соответственно начальное и конечное влагосодержание воздуха, кг/кг; τ_c − длительность цикла адсорбции влаги, с;

Требуемая масса G_с и объем V_c адсорбента определяется по формулам:

G_с = W/α_с; (89)

V_c = G_с/ρ_с, (90)

где α_c − сорбционная способность, для силикагеля α_c = 0,1; ρ_с − плотность насыпного слоя сорбента, кг/м³, для силикагеля ρ_с = 600 кг/м³.

Фильтрующая поверхность F_с, определяется из формулы:

, (91)

где w – скорость воздуха, м/с.

Толщина слоя адсорбента равна:

(92)

Приблизительно толщину слоя при w = 0,15…0,5 м/с можно определить по приблизительной формуле:

δ_с = 0,07(d₁ − d₂)∙τ_C∙w.

Аэродинамическое сопротивление слоя силикагеля определяется по формуле:

Δр = 9,81δ_с∙w^1,5 (93)

Осушка воздуха жидкими сорбентами.Для осушки воздуха часто применяют раствор хлористого лития, хлористого калия и др.

По физическому содержанию процессы тепловлагообмена между воздухом и раствором при их взаимодействии аналогичны процессам тепловлагообмена между воздухом и водой, однако при взаимодействии растворов происходят физико-химические процессы. Упругость водяных паров над раствором заметно выше, чем над водой при той же температуре, и зависит от концентрации и температуры раствора. Под концентрацией раствора понимают отношение массы растворенного вещества g_с к массе раствора G_р = W + g_с.

Теплообмен между воздухом и раствором характеризуется переносом явной теплоты за счет разности температур поверхности раствора и обрабатываемого воздуха, а также теплоты гидратации, конденсации водяного пара, растворения соли и разбавления раствора.

Осушка воздуха абсорбентами производится в контактных аппаратах. Вместо воды в аппарат подается жидкий сорбент. В воздухоосушительной установке в процессе взаимодействия воздуха и раствора изменяется состояние того и другого. Раствор отнимает теплоту и влагу, вследствие чего нагревается и разбавляется водой. Увеличение температуры раствора ограничивают – 2…3 ºС, а уменьшение концентрации раствора – 0,2…0,3 %. При расчетах процесса осушки воздуха растворами сорбентов принимают коэффициент орошения воздуха раствором:

, (94)

где I₁, I₂ – энтальпия воздуха соответственно до и после взаимодействия с раствором, кДж/кг; t_wн, t_wн – температура раствора соответственно до и после взаимодействия с воздухом, ºС; с_р – теплоемкость раствора, кДж/(кг∙К).

Конечная концентрация раствора на выходе из воздухоосушительной установки выражается уравнением:

(95)

где d₁, d₂ – влагосодержание воздуха соответственно до и после взаимодействия с раствором, кг/кг.

Количество раствора, которое должно циркулировать в системе, определяется допустимым уменьшением концентрации раствора в результате поглощения влаги из воздуха. Такое уменьшение концентрации ΔК_р принимается равным 0,002…0,003. С учетом этого количество раствора определяется по формуле:

(96)

где W – количество воды, кг; g_с – масса растворенной соли, кг; L – расход воздуха, кг/ч.

Степень охлаждения жидкого раствора можно регулировать в широких пределах, отводя частично или полностью теплоту сорбции. В этом случае могут быть осуществлены как изотермический процесс осушения воздуха, так и процессы с повышением и понижением температуры. На рис. 20 показаны процессы осушения воздуха жидкими сорбентами:

- процесс при постоянной температуре может быть реализован, если от жидкого сорбента в процессе сорбции будет полностью отводиться теплота сорбции (процесс 1-2);

- процесс с повышением температуры возможен, если от сорбента теплота сорбции отводится частично (процесс 1-3);

- процесс с понижением температуры возможен, если не только полностью отводить теплоту сорбции, но и охлаждать раствор (процесс 1-4).

Поскольку концентрация раствора в процессе работы воздухоосушительной установки снижается, ее необходимо восстанавливать до начального значения. Чаще других применяют выпаривание влаги из кипящего раствора или ее испарение. С помощью водных растворов солей можно осуществлять процессы тепловлажностной обработки воздуха, которые невозможно реализовать с помощью поверхностных и водоконтактных аппаратов (изотермическая осушка воздуха, осушка с повышением температуры, осушка с небольшим понижением температуры). При использовании растворов солей оказывается возможным осушать воздух без применения искусственных источников холода или при экономном режиме работы холодильных машин. Кроме того, при осушке воздуха растворами отпадают лишние расходы теплоты и холода, необходимые при осушке воздуха водой. Растворы этих солей не ядовиты, но агрессивны по отношению к металлам, что является существенным недостатком.

7. ОЧИСТКА ПРИТОЧНОГО ВОЗДУХА В СИСТЕМАХ
КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ

По гигиеническим или технологическим соображениям возникает необходимость в очистке наружного воздуха, подаваемого в помещение приточными системами вентиляции (СВ) и системами кондиционирования воздуха (СКВ). Необходимость очистки определяется с учетом данных о запыленности наружного воздуха итребований к содержанию аэрозолей в воздухе обитаемой (рабочей) зоны.

Необходимость в очистке воздуха от пыли возникает при применении рециркуляции. По нормам проектирования рециркуляция допускается, если концентрация паров или аэрозолей в рециркуляционном воздухе не более 0,3 ПДК. В ряде случаев приходится учитывать, что многие виды пыли взрыво-и огнеопасны. Для таких пылей задаются нижний и верхний пределы концентраций.

Очистка воздуха преследует следующие цели:

1. Уменьшение содержания пыли (концентрации) в воздухе, подаваемом в кондиционируемые помещения, если среднесуточная или максимальная концентрация пыли в наружном воздухе превышает допустимую для воздушной среды помещения.

2. Поддержание содержания аэрозолей в допустимых пределах в производственных помещениях предприятий заданного в соответствиис технологическими требованиями.

3. Предохранение ценной внутренней отделки и оборудования кондиционируемых помещений от загрязнения отложениями мелкодисперсной пыли.

4. Защита теплообменников и другого оборудования кондиционера от загрязнения, снижающего теплотехнические показатели.

Конструкция фильтра зависит от характера пыли (загрязнений) и требуемой чистоты воздуха. Основными характеристиками фильтров являются:эффективность очистки, удельная воздушная нагрузка, пылеёмкость, аэродинамическое сопротивление фильтра.

Эффективность или степень очистки (коэффициент очистки)представляет собой отношение разности массового расхода пыли, содержащегося в воздухе до и после фильтра, к массовому расходу пыли до фильтра и определяется по формуле:

, (97)

где G_н и G_к − массовые расходы пыли до и после фильтра, г/ч.

Важно помнить, что коэффициент очистки фильтра существенно зависит от дисперсности пылевых частиц: чем меньше размер пылинок, тем меньше коэффициент очистки. Поэтому имеет значение дисперсный состав пыли.

Всякая пыль – полидесперсная структура, в которой присутствуют аэрозоли разного размера: от нескольких микрон до сотен и тысяч микрон.

Удельная воздушная нагрузка характеризует отношение объёмного часового расхода воздуха, проходящего через фильтр, к площади фильтрующей поверхности, и выражается в м³/ч на I м².

Пылеёмкость представляет собой количество пыли (в г или кг), которое задерживает фильтр за период непрерывной работы между двумя очередными операциями регенерации фильтрующего слоя или до достижения определенной величины сопротивления фильтра. Поскольку ёмкость зависит от размера частиц пыли, её следует относить к пыли определенной дисперсности.

Аэродинамическое сопротивление фильтра представляет собой разность полных давлений до и после фильтра и измеряется в Па.

Классификация воздушных фильтров. По размерам эффективно улавливаемых пылевых частиц в европейских стандартах фильтры делятся на три класса: фильтры грубой, тонкой и особо тонкой очистки. При грубой очистке задерживаются частицы величиной 10 мкм и более, при тонкой – 1 мкм и более, при особо тонкой – частицы меньших размеров, вплоть до 0,1 мкм.

Для определения эксплуатационных характеристик фильтров в зарубежной практике, а в последнее время и отечественными разработчиками, используются несколько стандартов: европейский стандарт EUROVENT 4/5 (европейский комитет изготовителей вентиляционного и пневманического оборудования); стандарт США ASHRAE 52-76 (Американское общество инженеров по отоплению, холодильной технике и кондиционированию воздуха) и два стандарта Великобритании – BS 6540, применяемый для фильтров грубой и тонкой очистки, и BS 3928 – для фильтров особо тонкой очистки. В отечественной практике для фильтров до 9 класса (предварительная очистка) с 1994 г. действует стандарт EN 779, для финишной очистки с 10 класса и выше – 1996 г. EN 1882. Все перечисленные стандарты содержат весьма близкие параметры.

Фильтровальным материалом в фильтрах грубой очистки служат металлизированные сетки или ткани из синтетических волокон (например, акрила). Конструктивно они могут быть оформлены в виде панелей (ячеек), фильтрующих прокладок, гофрированных листов и пр.

В фильтрах тонкой очистки применяется стеклоткань, причем в ряде случаев со специальной пропиткой. По конструктивному исполнению эти фильтры могут быть карманными, складчатыми, электростатическими, со сменными пластинами. Карманные фильтры состоят из рамы, наружных сетчатых прокладок и «карманов» из фильтрующего материала. В складчатых фильтрах используется гофрированная фильтрующая ткань из стекловолокна. В фильтрах тонкой очистки применяется также активированный уголь. Такие фильтры представляют собой набор кассет, которые могут быть собраны в панели. Эти фильтры применяются также для поглощения газов и паров токсичных веществ.

Для фильтров особо тонкой очистки фильтровальным материалом может быть клееное стекловолокно, клееная бумага из субмикронных волокон.

Замена фильтра или его регенерация выполняется при превышении допустимой величины его аэродинамического сопротивления.

Фильтры грубой очистки типа EU1 применяются при невысоких требованиях к чистоте воздуха. Фильтры EU2 – EU4 предназначены для уменьшения запыленности воздуха, если концентрация в районе расположения объекта превышает ПДК. Такие фильтры применяются для защиты теплообменников, оросительных камер, компрессоров, приборов автоматики и другого оборудования от запыления. Фильтры грубой очистки могут применяться в качестве первой ступени очистки перед более эффективными фильтрами.

Фильтры тонкой очистки EU5 – EU9 удовлетворяют более жестким требованиям к чистоте воздуха. Эти фильтры используются для предохранения ценной внутренней отделки и оборудования зданий от загрязнения мелкодисперсной пылью. Их устанавливают в качестве второй ступени после более пылеемких фильтров грубой очистки. Фильтры EU8 – EU9 применяют для больничных палат, лабораторий, на предприятиях производства продуктов питания, в фармацевтической промышленности.

Фильтры особо тонкой очистки EU10 – EU13 предназначены для помещений с высокими требованиями к чистоте воздуха (в медицинских операционных, в лабораториях электроники, бактериологических исследованиях, в ядерной и изотопной промышленности). Фильтры EU14 – в так называемых «чистых помещениях» предприятий электронной, оптической промышленности и в тех случаях, когда требуется полная очистка от бактериальных, радиоактивных пылей и аэрозолей. Они применяются в качестве второй и даже третьей ступени.

Подбор фильтров.Тип воздушного фильтра и необходимую его эффективность выбирают с учётом требований к степени чистоты воздуха, условий эксплуатации фильтра и стоимости очистки воздуха.

Необходимую площадь фильтра F_ф при заданной производительности приточной установки L (м³/ч) можно определить из выражения:

F_ф=L/v_ф, (98)

где v_ф − удельная нагрузка фильтра, м³/(ч∙м²).

Сопротивление фильтров можно выразить уравнением:

Н_ф = Е·v_фⁿ, (99)

где Е, n − коэффициенты определяемые опытным путём [2].