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環保行業中常用的十種環保填料介紹

關注:359發表時間:2018-12-23 17:02:22

填料泛指被填充于其他物體中的物料。

在化學工程中,填料指裝于填充塔内的惰性固體物料,例如鮑爾環和拉西環等,其作用是增大氣-液的接觸面,使其相互強烈混合。

在化工産品中,填料又稱填充劑,是指用以改善加工性能、制品力學性能并(或)降低成本的固體物料。

在污水處理領域,主要用于接觸氧化工藝,微生物會在填料的表面進行累積,以增大與污水的表面接觸,對污水進行降解處理。

優點:結構簡單、壓力降小、易于用耐腐蝕非金屬材料制造等。對于氣體吸收、真空蒸餾以及處理腐蝕性流體的操作,頗為适用。

缺點:當塔頸增大時,引起氣液分布不均、接觸不良等,造成效率下降,即稱為放大效應。同時填料塔還有重量大、造價高、清理檢修麻煩、填料損耗大等缺點。

填料選用準則

填料的幾何特性數據主要包括比表面積、空隙率、填料因子等,是評價填料性能的基本參數。

(1)比表面積單位體積填料的填料表面積稱為比表面積,以a表示,其單位為m2/m3。填料的比表面積愈大,所提供的氣液傳質面積愈大。因此,比表面積是評價填料性能優劣的一個重要指标。

(2)空隙率單位體積填料中的空隙體積稱為空隙率,以e 表示,其單位為m3/m3,或以%表示。填料的空隙率越大,氣體通過的能力越大且壓降低。因此,空隙率是評價填料性能優劣的又一重要指标。

(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性能,f值越小,表明流動阻力越小。

填料性能優劣主要取決于:

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,表面的潤濕性能越好,則傳質效率越高;填料的空隙率越大,結構越開敞,則通量越大,壓降亦越低。

采用模糊數學方法對九種常用填料的性能進行了評價,絲網波紋填料綜合性能好,拉西環差。

填料的選擇包括确定填料的種類、規格及材質等。所選填料既要滿足生産工藝的要求,又要使設備投資和操作費用低。



1 填料種類的選擇

填料種類的選擇要考慮分離工藝的要求,通常考慮以下幾個方面:

1)傳質效率要高一般而言,規整填料的傳質效率高于散裝填料。

2)通量要大。在保證具有較高傳質效率的前提下,應選擇具有較高泛點氣速或氣相動能因子的填料。

3)填料層的壓降要低。

4)填料抗污堵性能強,拆裝、檢修方便。

2 填料規格的選擇

填料規格是指填料的公稱尺寸或比表面積。

(1)散裝填料規格的選擇

工業塔常用的散裝填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等幾種規格。

同類填料,尺寸越小,分離效率越高,但阻力增加,通量減少,填料費用也增加很多。而大尺寸的填料應用于小直徑塔中,又會産生液體分布不良及嚴重的壁流,使塔的分離效率降低。

因此,對塔徑與填料尺寸的比值要有一規定,一般塔徑與填料公稱直徑的比值D/d應大于8。

(2)規整填料規格的選擇

工業上常用規整填料的型号和規格的表示方法很多,國内習慣用比表面積表示,主要有125、150、250、350、500、700等幾種規格。

同種類型的規整填料,其比表面積越大,傳質效率越高,但阻力增加,通量減少,填料費用也明顯增加。

選用時應從分離要求、通量要求、場地條件、物料性質及設備投資、操作費用等方面綜合考慮,使所選填料既能滿足技術要求,又具有經濟合理性。

3  填料材質的選擇


填料的材質分為陶瓷、金屬和塑料三大類。

(1)陶瓷填料

陶瓷填料具有很好的耐腐蝕性及耐熱性,陶瓷填料價格便宜,具有很好的表面潤濕性能,質脆、易碎是其 最大缺點。在氣體吸收、氣體洗滌、液體萃取等過程中應用較為普遍。

(2)塑料填料

塑料填料的材質主要包括聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)及聚氯乙烯(PVC)等,國内一般多采用聚丙烯材質。塑料填料的耐腐蝕性能較好,可耐一般的無機酸、堿和有機溶劑的腐蝕。其耐溫性良好,可長期在100℃以下使用。

塑料填料質輕、價廉,具有良好的韌性,耐沖擊、不易碎,可以制成薄壁結構。它的通量大、壓降低,多用于吸收、解吸、萃取、除塵等裝置中。

塑料填料的缺點是表面潤濕性能差,但可通過适當的表面處理來改善其表面潤濕性能。

(3)金屬填料

金屬填料可用多種材質制成,選擇時主要考慮腐蝕問題。

碳鋼填料造價低,且具有良好的表面潤濕性能,對于無腐蝕或低腐蝕性物系應優先考慮使用。

不鏽鋼填料耐腐蝕性強,一般能耐除Cl- 以外常見物系的腐蝕,但其造價較高,且表面潤濕性能較差,在某些特殊場合(如低噴淋密度下的減壓精餾過程),需對其表面進行處理,才能取得良好的使用效果。

钛材、特種合金鋼等材質制成的填料造價很高,一般隻在某些腐蝕性強的物系下使用。

一般來說,金屬填料可制成薄壁結構,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、高沖擊強度下使用,應用範圍廣泛。



填料的種類

1  拉西環填料

拉西環填料于1914年由拉西(F. Rashching)發明,為外徑與高度相等的圓環。拉西環填料的氣液分布較差,傳質效率低,阻力大,通量小,工業上已較少應用。


2  鮑爾環填料

鮑爾環填料是對拉西環的改進,在拉西環的側壁上開出兩排長方形的窗孔,被切開的環壁的一側仍與壁面相連,另一側向環内彎曲,形成内伸的舌葉,諸舌葉的側邊在環中心相搭。

鮑爾環由于環壁開孔,大大提高了環内空間及環内表面的利用率,氣流阻力小,液體分布均勻。與拉西環相比,鮑爾環的氣體通量可增加50%以上,傳質效率提高30%左右。鮑爾環是一種應用較廣的填料。


3  階梯環填料

階梯環填料是對鮑爾環的改進,與鮑爾環相比,階梯環高度減少了一半并在一端增加了一個錐形翻邊。

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,減少了氣體通過填料層的阻力。錐形翻邊不僅增加了填料的機械強度,而且使填料之間由線接觸為主變成以點接觸為主,這樣不但增加了填料間的空隙,同時成為液體沿填料表面流動的彙集分散點,可以促進液膜的表面更新,有利于傳質效率的提高。

階梯環的綜合性能優于鮑爾環,成為所使用的環形填料中優良的一種。


4  弧鞍填料

弧鞍填料屬鞍形填料的一種,其形狀如同馬鞍,一般采用瓷質材料制成。

弧鞍填料的特點是表面全部敞開,不分内外,液體在表面兩側均勻流動,表面利用率高,流道呈弧形,流動阻力小。

其缺點是易發生套疊,緻使一部分填料表面被重合,使傳質效率降低。弧鞍填料強度較差,容破碎,工業生産中應用不多。

5  矩鞍填料

矩鞍填料将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。

矩鞍填料堆積時不會套疊,液體分布較均勻。矩鞍填料一般采用瓷質材料制成,其性能優于拉西環。國内絕大多數應用瓷拉西環的場合,均已被瓷矩鞍填料所取代。


6  金屬環矩鞍填料

環矩鞍填料(國外稱為Intalox)是兼顧環形和鞍形結構特點而設計出的一種新型填料,該填料一般以金屬材質制成,故又稱為金屬環矩鞍填料。

環矩鞍填料将環形填料和鞍形填料兩者的優點集于一體,其綜合性能優于鮑爾環和階梯環,在散裝填料中應用較多。



7  球形填料

球形填料一般采用塑料注塑而成,其結構有多種。球形填料的特點是球體為空心,可以允許氣體、液體從其内部通過。由于球體結構的對稱性,填料裝填密度均勻,不易産生空穴和架橋,所以氣液分散性能好。球形填料一般隻适用于某些特定的場合,工程上應用較少。


除上述幾種較典型的散裝填料外,不斷有構型獨特的新型填料開發出來,如共轭環填料、海爾環填料、納特環填料等。

8  規整填料

規整填料是按一定的幾何構形排列,整齊堆砌的填料。規整填料種類很多,根據其幾何結構可分為格栅填料、波紋填料等。

格栅填料

格栅填料是以條狀單元體經一定規則組合而成的,具有多種結構形式。工業上應用的格栅填料為木格栅填料。

應用較為普遍的有格裡奇格栅填料、網孔格栅填料、蜂窩格栅填料等,其中以格裡奇格栅填料具代表性。 格栅填料的比表面積較低,主要用于要求壓降小、負荷大及防堵等場合。


波紋填料

波紋填料在工業上應用的規整填料絕大部分為波紋填料,它是由許多波紋薄闆組成的圓盤狀填料,波紋與塔軸的傾角有30°和45°兩種,組裝時相鄰兩波紋闆反向靠疊。各盤填料垂直裝于塔内,相鄰的兩盤填料間交錯90°排列。


波紋填料按結構可分為網波紋填料和闆波紋填料兩大類,其材質又有金屬、塑料和陶瓷等之分。

金屬絲網波紋填料是網波紋填料的主要形式,它是由金屬絲網制成的。金屬絲網波紋填料的壓降低,分離效率很高,特别适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。盡管其造價高,但因其性能優良仍得到了廣泛的應用。


金屬闆波紋填料是闆波紋填料的一種主要形式。該填料的波紋闆片上沖壓有許多f5mm左右的小孔,可起到粗分配闆片上的液體、加強橫向混合的作用。波紋闆片上軋成細小溝紋,可起到細分配闆片上的液體、增強表面潤濕性能的作用。金屬孔闆波紋填料強度高,耐腐蝕性強,特别适用于大直徑塔及氣液負荷較大的場合。


金屬壓延孔闆波紋填料是另一種有代表性的闆波紋填料。它與金屬孔闆波紋填料的主要區别在于闆片表面不是沖壓孔,而是刺孔,用輾軋方式在闆片上輾出很密的孔徑為0.4~0.5mm小刺孔。其分離能力類似于網波紋填料,但抗堵能力比網波紋填料強,并且價格便宜,應用較為廣泛。

波紋填料的優點是結構緊湊,阻力小,傳質效率高,處理能力大,比表面積大(常用的有125、150、250、350、500、700等幾種)。波紋填料的缺點是不适于處理粘度大、易聚合或有懸浮物的物料,且裝卸、清理困難,造價高。

              

脈沖填料

脈沖填料是由帶縮頸的中空棱柱形個體,按一定方式拼裝而成的一種規整填料。

脈沖填料組裝後,會形成帶縮頸的多孔棱形通道,其縱面流道交替收縮和擴大,氣液兩相通過時産生強烈的湍動。在縮頸段,氣速高,湍動劇烈,從而強化傳質。在擴大段,氣速減到小,實現兩相的分離。流道收縮、擴大的交替重複,實現了“脈沖”傳質過程。

脈沖填料的特點是處理量大,壓降小,是真空精餾的理想填料。因其優良的液體分布性能使放大效應減少,故特别适用于大塔徑的場合。

9 四氟填料

聚四氟乙烯閥杆填料是以聚四氟乙烯細粉料為原料,采用全新的工藝加工而成的一種柔軟制品。白色,連續繩狀,截面呈圓形。它具有高度的柔順性,好的填充性、自潤滑性、低摩擦系數、耐腐蝕等性能。


優點:

裝填方便快捷。裝填時一般不必拆卸閥門,隻需将繩狀填料繞在閥杆上,推入填料函,上緊函蓋帽,填料即被壓成一個密實的整體。

密封性能優異。膨脹聚四氟乙烯獨特的微觀結構賦予該産品的柔韌性和模塑性,使它能輕易地将填料函内部空隙,甚至閥杆、函體上的所有凹坑和溝槽填密,這也使腐蝕、磨損的舊閥門避免更換或修理。

使用壽命長。因它長期保持的柔軟塑性,使洩漏缺口随時被填塞,還因它不被腐蝕,不會老化,可保長期使用。

閥門開閉靈活輕便。因為聚四氟乙烯具有低的摩擦系數和優異的自潤滑性。

不污染管道中的流體。因為它潔白幹淨,不會因腐蝕老化而脫落,使它特别适用于醫藥、精細化工、食品等行業。

規格通用性好,減少填料儲存量,節約開支。隻需備置幾種粗細規格的閥杆填料,就能滿足大多數閥門之需求。

一般選用能用手嵌入的這種填料,但較細的'該種填料,也可用于大規格的閥門中,壓緊後,也會塑變成型,得到密實的封填體。

10 塑性填料

塑性填料是經模具壓制成型的填料,使用時不需要像編結填料那樣切斷後盤成環狀,而且是根據軸頸大小制成環形。塑性填料有棉狀和積層兩種形式。

         

綿狀填料

綿狀填料是把纖維、石墨、雲母、金屬粉(或金屬鱗片)、油脂與彈性粘結劑相混合後,模壓成環形,再在外層編結一層石棉紗(根據需要也可用金屬絲)。

還有一種使用方式是将混合物直接放人填料腔,經壓蓋壓緊後直接使用,由于填料沒有固定尺寸,填料裝填不當容易影響密封性能,所以該方法較少使用。

可以根據工作條件調節綿狀填料中各種混合料的種類和配比,例如高壓蒸汽密封加人銅粉、酸性介質密封加人鉛粒或鉛片、軸有振動時可加添較多的彈性良好的粘結劑等。

由于這種填料不含潤滑劑,所以高壓下其體積變化很小,可用于高速泵類和高壓閥門密封。如加人固體潤滑劑,則可以保證良好的自潤滑性能,且結構緻密,有助于提高密封性。另外,綿狀填料有塑性流動性,還可以與金屬填料組合使用。

              

          

積層填料

這種填料是在石棉布或帆布的表面上塗敷橡膠,經疊合或者卷繞後熱壓硫化成型,還可以内夾橡膠芯等軟質填料或嵌人彈簧,幾種積層填料的結構。

積層填料密封性良好,可用于120℃以下的低壓蒸汽、水和氨液,主要用作往複運動的軸封和閥杆的密封,無接口的圈裝積層填料還可以用作往複泵活塞環。由于積層填料中所含潤滑劑不足,使用過程中需添加潤滑劑。

總結

選擇填料時,對于某種特殊應用,填料的标準是根據複合材料所期望達到的性能而定,必須考慮到下述基本原則。

1、填料在加工過程中必須保持其原有結構,并保持惰性、不溶性、熱穩定性、不揮發性、無催化活性和低的吸附性。

2、填料必須與基材能夠相容,無腐蝕性。

3、容易處理,堆積密度高,水分含量低,低塵,無毒性。

4、必須易得,貨源充足,價格适中,質量穩定。


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