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        什么是填料?有哪些常見(jiàn)填料類(lèi)型?

        2024/6/18 10:03:18 / 作者: / 來(lái)源:

        什么是填料?

        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。



        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,對污水進(jìn)行降解處理。


        優(yōu)點(diǎn):結構簡(jiǎn)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,頗為適用。


        缺點(diǎn):當塔頸增大時(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。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)。


        填料有哪些種類(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)上已較少應用。

        2、鮑爾環(huán)填料

        鮑爾環(huán)填料是對拉西環(huán)的改進(jìn),在拉西環(huán)的側壁上開(kāi)出兩排長(cháng)方形的窗孔,被切開(kāi)的環(huán)壁的一側仍與壁面相連,另一側向環(huán)內彎曲,形成內伸的舌葉,

        諸舌葉的側邊在環(huán)中心相搭。

        鮑爾環(huán)由于環(huán)壁開(kāi)孔,大大提高了環(huán)內空間及環(huán)內表面的利用率,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)是一種應用較廣的填料。

        3、階梯環(huán)填料


        階梯環(huán)填料是對鮑爾環(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械強度,

        而且使填料之間由線(xiàn)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),不分內外,液體在表面兩側均勻流動(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?;“疤盍蠌姸容^差,容破碎,工業(yè)生產(chǎn)中應用不多。


        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,即稱(chēng)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)。大多數應用瓷拉西環(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(國外稱(chēng)為Intalox)是兼顧環(huán)形和鞍形結構特點(diǎn)而設計出的一種新型填料,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(diǎn)是球體為空心,可以允許氣體、液體從其內部通過(guò)。

        由于球體結構的對稱(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(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(lèi)很多,根據其幾何結構可分為格柵填料、波紋填料等。


        ①格柵填料


        格柵填料是以條狀單元體經(jīng)一定規則組合而成的,具有多種結構形式。工業(yè)上應用早的格柵填料為木格柵填料。


        應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、

        負荷大及防堵等場(chǎng)合。

        ②波紋填料


        波紋填料在工業(yè)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,相鄰的兩盤(pán)填料間交錯90°排列。

        波紋填料按結構可分為網(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、加強橫向混合的作用。


        波紋板片上軋成細小溝紋,可起到細分配板片上的液體、增強表面潤濕性能的作用。金屬孔板波紋填料強度高,耐腐蝕性強,特別適用于大直徑塔及氣液負荷較大的場(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,并且價(jià)格便宜,應用較為廣泛。


        波紋填料的優(yōu)點(diǎn)是結構緊湊,阻力小,傳質(zhì)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(diǎn)是不適于處理粘度大、

        易聚合或有懸浮物的物料,且裝卸、清理困難,造價(jià)高。


        ③脈沖填料


        脈沖填料是由帶縮頸的中空棱柱形個(gè)體,按一定方式拼裝而成的一種規整填料。


        脈沖填料組裝后,會(huì )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(guò)時(shí)產(chǎn)生強烈的湍動(dòng)。在縮頸段,氣速最高,湍動(dòng)劇烈,從而強化傳質(zhì)。

        在擴大段,氣速減到小,實(shí)現兩相的分離。流道收縮、擴大的交替重復,實(shí)現了“脈沖”傳質(zhì)過(guò)程。


        脈沖填料的特點(diǎn)是處理量大,壓降小,是真空精餾的理想填料。因其優(yōu)良的液體分布性能使放大效應減少,故特別適用于大塔徑的場(chǎng)合。


        9、四氟填料


        聚四氟乙烯閥桿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(yōu)點(diǎn):


        ①裝填方便快捷。裝填時(shí)一般不必拆卸閥門(mén),只需將繩狀填料繞在閥桿上,推入填料函,上緊函蓋帽,填料即被壓成一個(gè)密實(shí)的整體。


        ②密封性能優(yōu)異。膨脹聚四氟乙烯獨特的微觀(guān)結構賦予該產(chǎn)品好的柔韌性和模塑性,使它能輕易地將填料函內部空隙,甚至閥桿、函體上的所有凹坑和溝槽填密,

        這也使腐蝕、磨損的舊閥門(mén)避免更換或修理。


        ③使用壽命長(cháng)。因它長(cháng)期保持的柔軟塑性,使泄漏缺口隨時(shí)被填塞,還因它不被腐蝕,不會(huì )老化,可保長(cháng)期使用。


        ④閥門(mén)開(kāi)閉靈活輕便。因為聚四氟乙烯具有低的摩擦系數和優(yōu)異的自潤滑性。


        ⑤不污染管道中的流體。因為它潔白干凈,不會(huì )因腐蝕老化而脫落,使它特別適用于醫藥、精細化工、食品等行業(yè)。


        ⑥規格通用性好,減少填料儲存量,節約開(kāi)支。只需備置幾種粗細規格的閥桿填料,就能滿(mǎn)足大多數閥門(mén)之需求。


        一般選用能用手嵌入的大號這種填料,但較細的'該種填料,也可用于大規格的閥門(mén)中,壓緊后,也會(huì )塑變成型,得到密實(shí)的封填體。


        10、塑性填料


        塑性填料是經(jīng)模具壓制成型的填料,使用時(shí)不需要像編結填料那樣切斷后盤(pán)成環(huán)狀,而且是根據軸頸大小制成環(huán)形。塑性填料有棉狀和積層兩種形式。


        ①綿狀填料


        綿狀填料是把纖維、石墨、云母、金屬粉(或金屬鱗片)、油脂與彈性粘結劑相混合后,模壓成環(huán)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將混合物直接放人填料腔,經(jīng)壓蓋壓緊后直接使用,由于填料沒(méi)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(lèi)和配比,例如高壓蒸汽密封加人銅粉、酸性介質(zhì)密封加人鉛?;蜚U片、軸有振動(dòng)時(shí)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(lèi)和高壓閥門(mén)密封。如加入固體潤滑劑,則可以保證良好的自潤滑性能,且結構致密,有助于提高密封性。另外,綿狀填料有塑性流動(dòng)性,還可以與金屬填料組合使用。


        ②積層填料


        這種填料是在石棉布或帆布的表面上涂敷橡膠,經(jīng)疊合或者卷繞后熱壓硫化成型,還可以?xún)葕A橡膠芯等軟質(zhì)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,主要用作往復運動(dòng)的軸封和閥桿的密封,無(wú)接口的圈裝積層填料還可以用作往復泵活塞環(huán)。

        由于積層填料中所含潤滑劑不足,使用過(guò)程中需添加潤滑劑。


        如何選擇填料?

        填料的選擇包括確定填料的種類(lèi)、規格及材質(zhì)等。所選填料既要滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的要求,又要使設備投資和操作費用低。


        1、填料種類(lèi)的選擇


        考慮分離工藝的要求,通??紤]以下幾個(gè)方面:


        傳質(zhì)效率要高一般而言,規整填料的傳質(zhì)效率高于散裝填料。


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


        填料層的壓降要低。


        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(chēng)尺寸或比表面積。


        ① 散裝填料規格的選擇


        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,填料費用也增加很多。而大尺寸的填料應用于小直徑塔中,又會(huì )產(chǎn)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(chēng)直徑的比值D/d應大于8。


        ②規整填料規格的選擇


        工業(yè)上常用規整填料的型號和規格的表示方法很多,國內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(lèi)型的規整填料,其比表面積越大,傳質(zhì)效率越高,但阻力增加,通量減少,填料費用也明顯增加。


        選用時(shí)應從分離要求、通量要求、場(chǎng)地條件、物料性質(zhì)及設備投資、操作費用等方面綜合考慮,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,具有很好的表面潤濕性能,質(zhì)脆、易碎是其 大的缺點(diǎn)。在氣體吸收、氣體洗滌、液體萃取等過(guò)程中應用較為普遍。


        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,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)機酸、

        堿和有機溶劑的腐蝕。其耐溫性良好,可長(cháng)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(diǎn)是表面潤濕性能差,但可通過(guò)適當的表面處理來(lái)改善其表面潤濕性能。


        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濕性能,對于無(wú)腐蝕或低腐蝕性物系應優(yōu)先考慮使用。


        不銹鋼填料耐腐蝕性強,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的物系下使用。


        一般來(lái)說(shuō),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,應用范圍廣泛。


        總結:


        選擇填料時(shí),對于某種特殊應用,填料好的標準是根據復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(guò)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(fā)性、無(wú)催化活性和低的吸附性。


        2、填料必須與基材能夠相容,無(wú)腐蝕性。


        3、容易處理,堆積密度高,水分含量低,低塵,無(wú)毒性。


        4、必須易得,貨源充足,價(jià)格適中,質(zhì)量穩定。




         

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