填料的定義
填料泛指被填充于其他物體中的物料。
在化學(xué)工程中,填料指裝于填充塔內(nèi)的惰性固體物料,例如鮑爾環(huán)和拉西環(huán)等,其作用是增大氣-液的接觸面,使其相互強(qiáng)烈混合。
在化工產(chǎn)品中,填料又稱(chēng)填充劑,是指用以改善加工性能、制品力學(xué)性能并(或)降低成本的固體物料。
在污水處理領(lǐng)域,主要用于接觸氧化工藝,微生物會(huì)在填料的表面進(jìn)行累積,以增大與污水的表面接觸,對(duì)污水進(jìn)行降解處理。
優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壓力降小、易于用耐腐蝕非金屬材料制造等。對(duì)于氣體吸收、真空蒸餾以及處理腐蝕性流體的操作,頗為適用。
缺點(diǎn):當(dāng)塔頸增大時(shí),引起氣液分布不均、接觸不良等,造成效率下降,即稱(chēng)為放大效應(yīng)。同時(shí)填料塔還有重量大、造價(jià)高、清理檢修麻煩、填料損耗大等缺點(diǎn)。
填料選用準(zhǔn)則
填料的幾何特性數(shù)據(jù)主要包括比表面積、空隙率、填料因子等,是評(píng)價(jià)填料性能的基本參數(shù)。
(1)比表面積單位體積填料的填料表面積稱(chēng)為比表面積,以a表示,其單位為m2/m3。填料的比表面積愈大,所提供的氣液傳質(zhì)面積愈大。因此,比表面積是評(píng)價(jià)填料性能優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)。
(2)空隙率單位體積填料中的空隙體積稱(chēng)為空隙率,以e 表示,其單位為m3/m3,或以%表示。填料的空隙率越大,氣體通過(guò)的能力越大且壓降低。因此,空隙率是評(píng)價(jià)填料性能優(yōu)劣的又一重要指標(biāo)。
(3)填料因子填料的比表面積與空隙率三次方的比值,即a/e 3,稱(chēng)為填料因子,以f表示,其單位為1/m。它表示填料的流體力學(xué)性能,f值越小,表明流動(dòng)阻力越小。
填料性能優(yōu)劣主要取決于:
有較大的比表面積(m2/m3填料層)
液體在填料表面有較好的均勻分布性能
氣流能在填料層中均勻分布
調(diào)料具有較大的空隙率(m3/m3填料層)。
在相同的操作條件下,填料的比表面積越大,氣液分布越均勻,表面的潤(rùn)濕性能越好,則傳質(zhì)效率越高;填料的空隙率越大,結(jié)構(gòu)越開(kāi)敞,則通量越大,壓降亦越低。
采用模糊數(shù)學(xué)方法對(duì)九種常用填料的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià),絲網(wǎng)波紋填料綜合性能較好,拉西環(huán)較差。
填料的選擇包括確定填料的種類(lèi)、規(guī)格及材質(zhì)等。所選填料既要滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的要求,又要使設(shè)備投資和操作費(fèi)用較低。
1 填料種類(lèi)的選擇
填料種類(lèi)的選擇要考慮分離工藝的要求,通常考慮以下幾個(gè)方面:
1)傳質(zhì)效率要高一般而言,規(guī)整填料的傳質(zhì)效率高于散裝填料。
2)通量要大。在保證具有較高傳質(zhì)效率的前提下,應(yīng)選擇具有較高泛點(diǎn)氣速或氣相動(dòng)能因子的填料。
3)填料層的壓降要低。
4)填料抗污堵性能強(qiáng),拆裝、檢修方便。
2 填料規(guī)格的選擇
填料規(guī)格是指填料的公稱(chēng)尺寸或比表面積。
(1)散裝填料規(guī)格的選擇
工業(yè)塔常用的散裝填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等幾種規(guī)格。
同類(lèi)填料,尺寸越小,分離效率越高,但阻力增加,通量減少,填料費(fèi)用也增加很多。而大尺寸的填料應(yīng)用于小直徑塔中,又會(huì)產(chǎn)生液體分布不良及嚴(yán)重的壁流,使塔的分離效率降低。
因此,對(duì)塔徑與填料尺寸的比值要有一規(guī)定,一般塔徑與填料公稱(chēng)直徑的比值D/d應(yīng)大于8。
(2)規(guī)整填料規(guī)格的選擇
工業(yè)上常用規(guī)整填料的型號(hào)和規(guī)格的表示方法很多,國(guó)內(nèi)習(xí)慣用比表面積表示,主要有125、150、250、350、500、700等幾種規(guī)格。
同種類(lèi)型的規(guī)整填料,其比表面積越大,傳質(zhì)效率越高,但阻力增加,通量減少,填料費(fèi)用也明顯增加。
選用時(shí)應(yīng)從分離要求、通量要求、場(chǎng)地條件、物料性質(zhì)及設(shè)備投資、操作費(fèi)用等方面綜合考慮,使所選填料既能滿(mǎn)足技術(shù)要求,又具有經(jīng)濟(jì)合理性。
3 填料材質(zhì)的選擇
填料的材質(zhì)分為陶瓷、金屬和塑料三大類(lèi)。
(1)陶瓷填料
陶瓷填料具有很好的耐腐蝕性及耐熱性,陶瓷填料價(jià)格便宜,具有很好的表面潤(rùn)濕性能,質(zhì)脆、易碎是其 較大缺點(diǎn)。在氣體吸收、氣體洗滌、液體萃取等過(guò)程中應(yīng)用較為普遍。
(2)塑料填料
塑料填料的材質(zhì)主要包括聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)及聚氯乙烯(PVC)等,國(guó)內(nèi)一般多采用聚丙烯材質(zhì)。塑料填料的耐腐蝕性能較好,可耐一般的無(wú)機(jī)酸、堿和有機(jī)溶劑的腐蝕。其耐溫性良好,可長(zhǎng)期在100℃以下使用。
塑料填料質(zhì)輕、價(jià)廉,具有良好的韌性,耐沖擊、不易碎,可以制成薄壁結(jié)構(gòu)。它的通量大、壓降低,多用于吸收、解吸、萃取、除塵等裝置中。
塑料填料的缺點(diǎn)是表面潤(rùn)濕性能差,但可通過(guò)適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚韥?lái)改善其表面潤(rùn)濕性能。
(3)金屬填料
金屬填料可用多種材質(zhì)制成,選擇時(shí)主要考慮腐蝕問(wèn)題。
碳鋼填料造價(jià)低,且具有良好的表面潤(rùn)濕性能,對(duì)于無(wú)腐蝕或低腐蝕性物系應(yīng)優(yōu)先考慮使用。
不銹鋼填料耐腐蝕性強(qiáng),一般能耐除Cl- 以外常見(jiàn)物系的腐蝕,但其造價(jià)較高,且表面潤(rùn)濕性能較差,在某些特殊場(chǎng)合(如極低噴淋密度下的減壓精餾過(guò)程),需對(duì)其表面進(jìn)行處理,才能取得良好的使用效果。
鈦材、特種合金鋼等材質(zhì)制成的填料造價(jià)很高,一般只在某些腐蝕性極強(qiáng)的物系下使用。
一般來(lái)說(shuō),金屬填料可制成薄壁結(jié)構(gòu),它的通量大、氣體阻力小,且具有很高的抗沖擊性能,能在高溫、高壓、高沖擊強(qiáng)度下使用,應(yīng)用范圍較為廣泛。
填料的種類(lèi)
1 拉西環(huán)填料
拉西環(huán)填料于1914年由拉西(F. Rashching)發(fā)明,為外徑與高度相等的圓環(huán)。拉西環(huán)填料的氣液分布較差,傳質(zhì)效率低,阻力大,通量小,工業(yè)上已較少應(yīng)用。
2 鮑爾環(huán)填料
鮑爾環(huán)填料是對(duì)拉西環(huán)的改進(jìn),在拉西環(huán)的側(cè)壁上開(kāi)出兩排長(zhǎng)方形的窗孔,被切開(kāi)的環(huán)壁的一側(cè)仍與壁面相連,另一側(cè)向環(huán)內(nèi)彎曲,形成內(nèi)伸的舌葉,諸舌葉的側(cè)邊在環(huán)中心相搭。
鮑爾環(huán)由于環(huán)壁開(kāi)孔,大大提高了環(huán)內(nèi)空間及環(huán)內(nèi)表面的利用率,氣流阻力小,液體分布均勻。與拉西環(huán)相比,鮑爾環(huán)的氣體通量可增加50%以上,傳質(zhì)效率提高30%左右。鮑爾環(huán)是一種應(yīng)用較廣的填料。
3 階梯環(huán)填料
階梯環(huán)填料是對(duì)鮑爾環(huán)的改進(jìn),與鮑爾環(huán)相比,階梯環(huán)高度減少了一半并在一端增加了一個(gè)錐形翻邊。
由于高徑比減少,使得氣體繞填料外壁的平均路徑大為縮短,減少了氣體通過(guò)填料層的阻力。錐形翻邊不僅增加了填料的機(jī)械強(qiáng)度,而且使填料之間由線接觸為主變成以點(diǎn)接觸為主,這樣不但增加了填料間的空隙,同時(shí)成為液體沿填料表面流動(dòng)的匯集分散點(diǎn),可以促進(jìn)液膜的表面更新,有利于傳質(zhì)效率的提高。
階梯環(huán)的綜合性能優(yōu)于鮑爾環(huán),成為所使用的環(huán)形填料中較為優(yōu)良的一種。
4 弧鞍填料
弧鞍填料屬鞍形填料的一種,其形狀如同馬鞍,一般采用瓷質(zhì)材料制成。
弧鞍填料的特點(diǎn)是表面全部敞開(kāi),不分內(nèi)外,液體在表面兩側(cè)均勻流動(dòng),表面利用率高,流道呈弧形,流動(dòng)阻力小。
其缺點(diǎn)是易發(fā)生套疊,致使一部分填料表面被重合,使傳質(zhì)效率降低。弧鞍填料強(qiáng)度較差,容破碎,工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用不多。
5 矩鞍填料
矩鞍填料將弧鞍填料兩端的弧形面改為矩形面,且兩面大小不等,即成為矩鞍填料。
矩鞍填料堆積時(shí)不會(huì)套疊,液體分布較均勻。矩鞍填料一般采用瓷質(zhì)材料制成,其性能優(yōu)于拉西環(huán)。國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)應(yīng)用瓷拉西環(huán)的場(chǎng)合,均已被瓷矩鞍填料所取代。
6 金屬環(huán)矩鞍填料
環(huán)矩鞍填料(國(guó)外稱(chēng)為Intalox)是兼顧環(huán)形和鞍形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而設(shè)計(jì)出的一種新型填料,該填料一般以金屬材質(zhì)制成,故又稱(chēng)為金屬環(huán)矩鞍填料。
環(huán)矩鞍填料將環(huán)形填料和鞍形填料兩者的優(yōu)點(diǎn)集于一體,其綜合性能優(yōu)于鮑爾環(huán)和階梯環(huán),在散裝填料中應(yīng)用較多。
7 球形填料
球形填料一般采用塑料注塑而成,其結(jié)構(gòu)有多種。球形填料的特點(diǎn)是球體為空心,可以允許氣體、液體從其內(nèi)部通過(guò)。由于球體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性,填料裝填密度均勻,不易產(chǎn)生空穴和架橋,所以氣液分散性能好。球形填料一般只適用于某些特定的場(chǎng)合,工程上應(yīng)用較少。
除上述幾種較典型的散裝填料外,不斷有構(gòu)型獨(dú)特的新型填料開(kāi)發(fā)出來(lái),如共軛環(huán)填料、海爾環(huán)填料、納特環(huán)填料等。
8 規(guī)整填料
規(guī)整填料是按一定的幾何構(gòu)形排列,整齊堆砌的填料。規(guī)整填料種類(lèi)很多,根據(jù)其幾何結(jié)構(gòu)可分為格柵填料、波紋填料等。
9格柵填料
格柵填料是以條狀單元體經(jīng)一定規(guī)則組合而成的,具有多種結(jié)構(gòu)形式。工業(yè)上應(yīng)用較早的格柵填料為木格柵填料。
應(yīng)用較為普遍的有格里奇格柵填料、網(wǎng)孔格柵填料、蜂窩格柵填料等,其中以格里奇格柵填料較具代表性。 格柵填料的比表面積較低,主要用于要求壓降小、負(fù)荷大及防堵等場(chǎng)合。
10波紋填料
波紋填料在工業(yè)上應(yīng)用的規(guī)整填料絕大部分為波紋填料,它是由許多波紋薄板組成的圓盤(pán)狀填料,波紋與塔軸的傾角有30°和45°兩種,組裝時(shí)相鄰兩波紋板反向靠疊。各盤(pán)填料垂直裝于塔內(nèi),相鄰的兩盤(pán)填料間交錯(cuò)90°排列。
波紋填料按結(jié)構(gòu)可分為網(wǎng)波紋填料和板波紋填料兩大類(lèi),其材質(zhì)又有金屬、塑料和陶瓷等之分。
金屬絲網(wǎng)波紋填料是網(wǎng)波紋填料的主要形式,它是由金屬絲網(wǎng)制成的。金屬絲網(wǎng)波紋填料的壓降低,分離效率很高,特別適用于精密精餾及真空精餾裝置,為難分離物系、熱敏性物系的精餾提供了有效的手段。盡管其造價(jià)高,但因其性能優(yōu)良仍得到了廣泛的應(yīng)用。
金屬板波紋填料是板波紋填料的一種主要形式。該填料的波紋板片上沖壓有許多f5mm左右的小孔,可起到粗分配板片上的液體、加強(qiáng)橫向混合的作用。波紋板片上軋成細(xì)小溝紋,可起到細(xì)分配板片上的液體、增強(qiáng)表面潤(rùn)濕性能的作用。金屬孔板波紋填料強(qiáng)度高,耐腐蝕性強(qiáng),特別適用于大直徑塔及氣液負(fù)荷較大的場(chǎng)合。
金屬壓延孔板波紋填料是另一種有代表性的板波紋填料。它與金屬孔板波紋填料的主要區(qū)別在于板片表面不是沖壓孔,而是刺孔,用輾軋方式在板片上輾出很密的孔徑為0.4~0.5mm小刺孔。其分離能力類(lèi)似于網(wǎng)波紋填料,但抗堵能力比網(wǎng)波紋填料強(qiáng),并且價(jià)格便宜,應(yīng)用較為廣泛。
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