工业气体被称作现代工业的“血液”,在钢铁、煤化工、半导体、航天等领域有着广泛的应用需求。大型低温空气分离技术是获取氧、氮、氩等工业气体的主要方法之一。大型低温空气分离系统能耗巨大,其中压缩机系统的能耗占总能耗的70%以上,具有很大的节能潜力。压缩机吸气端冷却和除湿预处理是一种有效的降低压缩功的方法,在小型压缩机节能领域已经获得应用,但是针对大型空压机的除湿预处理的研究较少。这是因为空分压缩机进气除湿具有空气流量大、产品干度很低、除湿兼冷却等特点,传统的除湿方式难以满足上述除湿要求。为此,本文开展了以下研究工作:1)提出了一种采用多级矩阵结构的冷却和溶液集成型除湿装置,包括采用多级矩阵结构的冷却除湿器和采用多级内循环结构的溶液除湿器。提出了一种多级冷却和溶液集成型除湿装置,包括一种采用多级矩阵结构的露点冷却除湿器(the Multistage Cooling Dehumidifier with Novel Matrix Structure,MCD)和一种多级内循环结构的溶液除湿器(The liquid desiccant dehumidifier with multi-stage internal circulation structure,MICLDD)。采用露点冷却除湿器对空气进行预除湿和预冷却,经过预除湿的空气通过内冷型溶液除湿器进行深度除湿。在MCD中,填料在水平方向上分2级,在竖直方向上分3层布置。通过外部和内部引流,可以使冷却水的冷量在填料内部合理分布,进而提高整体冷却除湿效率。在MICLDD中,填料在空气流动方向上分为3级,在溶液流动方向上分11层。在每一级填料内,溶液经过冷却盘管逐层冷却,可以保持较低的温度和除湿潜力;除湿溶液在级间循环流动,可以合理分配溶液温度和流量,进而提高整体除湿效率。2)模拟研究了集成型除湿装置的除湿性能。比较了多级矩阵结构除湿器相对于传统单级叉流结构除湿器的优势;进一步的,分析了集成型除湿装置相对于单个除湿部件的优势。模拟研究了冷却和溶液集成型除湿装置的除湿性能。首先,对比分析了MCD与传统的单级叉流结构的冷却除湿器的除湿性能,发现采用多级矩阵结构可以使得冷却水在除湿器内部均匀分布,强化冷却水和空气之间的传热传质过程,进而提高除湿效率。其次,对比研究了MICLDD与文献[41]中提出的填料塔埋布冷却光管结构的除湿器(the packed tower with cooling tubes,PTCT)的除湿性能,发现MICLDD对溶液的冷却效果更好,除湿器内部溶液和空气之间的传质驱动力更大,因此整体除湿效率更高。进一步地,模拟研究了冷却和溶液集成型除湿装置的除湿性能,发现采用集成型除湿装置可以综合溶液除湿(除湿能力强)和冷却除湿(出口温度低,COP相对高)的优势。与单独的溶液除湿装置相比,集成型除湿装置的COP可以提高6%-8%。3)搭建了MCD除湿实验台,初步测试了MCD的除湿性能。搭建了MCD实验测试平台,初步测试了MCD的除湿性能。分析了空气流量、冷却水温度对MCD整体除湿量、除湿效率和换热量的影响,并根据实验结果总结了冷却除湿过程的传热传质系数的计算公式。将实验结果与模拟结果进行对比,结果表明,模拟结果与实验结果的除湿器出口空气含湿量和温度的平均误差分别为8.6%和2.1%,模型显示出了较好的精度。本文提出了一种基于冷却和溶液除湿装置的空分系统压缩机节能方案,并通过模拟研究了不同运行参数对该除湿装置性能的影响规律,分析了该装置的强化除湿机理,取得的成果为除湿器的优化设计以及工业推广应用提供了理论支持。