有害废气 分享：洗涤塔填料种类、特点及选择

在很多VOCs废气治理项目中，洗涤塔是常见的预处理/治理设备，但洗涤塔内如何根据VOCs成分及风量进行合理设计？这里涉及众多化工知识，例如需要如何涉及塔高，直径，确定风速，确定洗涤液的循环量等等问题。甚至，如果该洗涤塔为填料塔，填料层如何设计，填料的选型该最终如何确定。今天，我们先来看看用于VOCs废气治理中，洗涤塔中的填料种类及对应的特点。

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4 l" g% B9 M5 K* z' y( t. T1填料的定义

填料泛指被填充于其他物体中的物料。

, e$ q% T7 ?# @7 v5 V, N4 V# U在化学工程中，填料指装于填充塔内的惰性固体物料，例如鲍尔环和拉西环等，其作用是增大气-液的接触面，使其相互强烈混合。

9 }" `6 T$ e- p在化工产品中，填料又称填充剂，是指用以改善加工性能、制品力学性能并(或)降低成本的固体物料。

$ p" v. B2 B4 U+ R7 i' k) \在污水处理领域，主要用于接触氧化工艺，微生物会在填料的表面进行累积，以增大与污水的表面接触，对污水进行降解处理。
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优点：结构简单、压力降小、易于用耐腐蚀非金属材料制造等。对于气体吸收、真空蒸馏以及处理腐蚀性流体的操作，颇为适用。
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3 _4 b) p# j2 V# E3 Z; m/ `0 A缺点：当塔颈增大时，引起气液分布不均、接触不良等，造成效率下降，即称为放大效应。同时填料塔还有重量大、造价高、清理检修麻烦、填料损耗大等缺点。
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0 K9 ?% H1 E& C+ A8 \, H2填料选用准则

填料的几何特性数据主要包括比表面积、空隙率、填料因子等，是评价填料性能的基本参数。

(1)比表面积单位体积填料的填料表面积称为比表面积，以a表示，其单位为m2/m3。填料的比表面积愈大，所提供的气液传质面积愈大。因此，比表面积是评价填料性能优劣的一个重要指标。

(2)空隙率单位体积填料中的空隙体积称为空隙率，以e 表示，其单位为m3/m3，或以%表示。填料的空隙率越大，气体通过的能力越大且压降低。因此，空隙率是评价填料性能优劣的又一重要指标。

: g* V+ Y& \5 ~! B6 c" R. w(3)填料因子填料的比表面积与空隙率三次方的比值，即a/e 3，称为填料因子，以f表示，其单位为1/m。它表示填料的流体力学性能，f值越小，表明流动阻力越小。

填料性能优劣主要取决于：
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) W+ F  A- m$ _" T! N+ P有较大的比表面积(m2/m3填料层)
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液体在填料表面有较好的均匀分布性能

* A! a0 H! \2 D# u+ d' S7 m1 l气流能在填料层中均匀分布

+ K6 ]* |1 Y) ]6 A4 ~2 B# m调料具有较大的空隙率(m3/m3填料层)。

$ b" B7 u: C, n8 i0 I  @, b: t4 U在相同的操作条件下，填料的比表面积越大，气液分布越均匀，表面的润湿性能越好，则传质效率越高;填料的空隙率越大，结构越开敞，则通量越大，压降亦越低。
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% w( J, B: I) N+ B) ?5 V( F7 ~采用模糊数学方法对九种常用填料的性能进行了评价，丝网波纹填料综合性能最好，拉西环最差。
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# \7 `/ q& P8 _! ]% [- j填料的选择包括确定填料的种类、规格及材质等。所选填料既要满足生产工艺的要求，又要使设备投资和操作费用最低。
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6 L6 S' ?# o$ t填料种类的选择
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8 h5 @* @( _6 z9 S% p/ o填料种类的选择要考虑分离工艺的要求,通常考虑以下几个方面：

- e2 ~, ?. U1 K2 R+ ^# C1)传质效率要高。一般而言，规整填料的传质效率高于散装填料。

2)通量要大。在保证具有较高传质效率的前提下，应选择具有较高泛点气速或气相动能因子的填料。
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$ i) Y% ^% Q1 t1 n3)填料层的压降要低。

4)填料抗污堵性能强，拆装、检修方便。
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填料规格的选择
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0 l. P4 E* B) L" A! i9 V% W( a填料规格是指填料的公称尺寸或比表面积。

(1)散装填料规格的选择

工业塔常用的散装填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等几种规格。

7 ]* X8 m$ X) ?: ^6 }7 x: G同类填料，尺寸越小，分离效率越高，但阻力增加，通量减少，填料费用也增加很多。而大尺寸的填料应用于小直径塔中，又会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率降低。

: Z0 ~4 G( l( h2 a/ A: Y! n* z: ]因此，对塔径与填料尺寸的比值要有一规定，一般塔径与填料公称直径的比值D/d应大于8。

(2)规整填料规格的选择

1 w" |, x  j! j9 b工业上常用规整填料的型号和规格的表示方法很多，国内习惯用比表面积表示，主要有125、150、250、350、500、700等几种规格。
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同种类型的规整填料，其比表面积越大，传质效率越高，但阻力增加，通量减少，填料费用也明显增加。
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+ m/ j! Z$ i3 i0 w+ |6 H6 D选用时应从分离要求、通量要求、场地条件、物料性质及设备投资、操作费用等方面综合考虑，使所选填料既能满足技术要求，又具有经济合理性。

填料材质的选择
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0 P" A( p+ Y+ Z- k* e填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。
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(1)陶瓷填料
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陶瓷填料具有很好的耐腐蚀性及耐热性，陶瓷填料价格便宜，具有很好的表面润湿性能，质脆、易碎是其 最大缺点。在气体吸收、气体洗涤、液体萃取等过程中应用较为普遍。
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(2)塑料填料

! n$ H- T+ h5 ^- u塑料填料的材质主要包括聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)及聚氯乙烯(PVC)等，国内一般多采用聚丙烯材质。塑料填料的耐腐蚀性能较好，可耐一般的无机酸、碱和有机溶剂的腐蚀。其耐温性良好，可长期在100℃以下使用。
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0 Z) r, k& u9 D; C% A3 A; L塑料填料质轻、价廉，具有良好的韧性，耐冲击、不易碎，可以制成薄壁结构。它的通量大、压降低，多用于吸收、解吸、萃取、除尘等装置中。
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9 w# u' E6 G* A+ o塑料填料的缺点是表面润湿性能差，但可通过适当的表面处理来改善其表面润湿性能。
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(3)金属填料
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; X4 S' U/ r! j. M6 B, H+ V金属填料可用多种材质制成，选择时主要考虑腐蚀问题。
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( g5 K$ R1 ?: Y碳钢填料造价低，且具有良好的表面润湿性能，对于无腐蚀或低腐蚀性物系应优先考虑使用。

不锈钢填料耐腐蚀性强，一般能耐除Cl-以外常见物系的腐蚀，但其造价较高，且表面润湿性能较差，在某些特殊场合(如极低喷淋密度下的减压精馏过程)，需对其表面进行处理，才能取得良好的使用效果。

4 V9 a. W: B$ c, D2 @钛材、特种合金钢等材质制成的填料造价很高，一般只在某些腐蚀性极强的物系下使用。
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9 }7 D8 ]) ~. m5 W一般来说，金属填料可制成薄壁结构，它的通量大、气体阻力小，且具有很高的抗冲击性能，能在高温、高压、高冲击强度下使用，应用范围最为广泛。
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3填料的种类
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拉西环填料

拉西环填料于1914年由拉西(F. Rashching)发明，为外径与高度相等的圆环。拉西环填料的气液分布较差，传质效率低，阻力大，通量小，工业上已较少应用。
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鲍尔环填料

2 |/ W( N" j2 c鲍尔环填料是对拉西环的改进，在拉西环的侧壁上开出两排长方形的窗孔，被切开的环壁的一侧仍与壁面相连，另一侧向环内弯曲，形成内伸的舌叶，诸舌叶的侧边在环中心相搭。

鲍尔环由于环壁开孔，大大提高了环内空间及环内表面的利用率，气流阻力小，液体分布均匀。与拉西环相比，鲍尔环的气体通量可增加50%以上，传质效率提高30%左右。鲍尔环是一种应用较广的填料。
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( X# V' Z& Z; U. H+ `& J阶梯环填料
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阶梯环填料是对鲍尔环的改进，与鲍尔环相比，阶梯环高度减少了一半并在一端增加了一个锥形翻边。

/ M( k5 Z6 \& l4 _- m, A: Y7 ?. G由于高径比减少，使得气体绕填料外壁的平均路径大为缩短，减少了气体通过填料层的阻力。锥形翻边不仅增加了填料的机械强度，而且使填料之间由线接触为主变成以点接触为主，这样不但增加了填料间的空隙，同时成为液体沿填料表面流动的汇集分散点，可以促进液膜的表面更新，有利于传质效率的提高。

阶梯环的综合性能优于鲍尔环，成为所使用的环形填料中最为优良的一种。
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弧鞍填料
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弧鞍填料属鞍形填料的一种，其形状如同马鞍，一般采用瓷质材料制成。

弧鞍填料的特点是表面全部敞开，不分内外，液体在表面两侧均匀流动，表面利用率高，流道呈弧形，流动阻力小。

其缺点是易发生套叠，致使一部分填料表面被重合，使传质效率降低。弧鞍填料强度较差，容破碎，工业生产中应用不多。
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7 y8 n- }& j' O1 b) ]; f, x+ R矩鞍填料
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( e% ~- a$ Q2 H' v- Z! T矩鞍填料将弧鞍填料两端的弧形面改为矩形面，且两面大小不等，即成为矩鞍填料。
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1 e- S( v. D5 s: L( _; z6 W矩鞍填料堆积时不会套叠，液体分布较均匀。矩鞍填料一般采用瓷质材料制成，其性能优于拉西环。国内绝大多数应用瓷拉西环的场合，均已被瓷矩鞍填料所取代。

金属环矩鞍填料
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7 J( M+ y( ?8 c环矩鞍填料(国外称为Intalox)是兼顾环形和鞍形结构特点而设计出的一种新型填料，该填料一般以金属材质制成，故又称为金属环矩鞍填料。

环矩鞍填料将环形填料和鞍形填料两者的优点集于一体，其综合性能优于鲍尔环和阶梯环，在散装填料中应用较多。
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, U' H/ O. g3 L% v球形填料

球形填料一般采用塑料注塑而成，其结构有多种。球形填料的特点是球体为空心，可以允许气体、液体从其内部通过。由于球体结构的对称性，填料装填密度均匀，不易产生空穴和架桥，所以气液分散性能好。球形填料一般只适用于某些特定的场合，工程上应用较少。
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除上述几种较典型的散装填料外，不断有构型独特的新型填料开发出来，如共轭环填料、海尔环填料、纳特环填料等。
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+ r0 @3 @: G0 s6 \# s6 v2 d规整填料
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% M. `4 |, ?( P" i: P! V  Z规整填料是按一定的几何构形排列，整齐堆砌的填料。规整填料种类很多，根据其几何结构可分为格栅填料、波纹填料等。

格栅填料

格栅填料是以条状单元体经一定规则组合而成的，具有多种结构形式。工业上应用最早的格栅填料为木格栅填料。
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应用较为普遍的有格里奇格栅填料、网孔格栅填料、蜂窝格栅填料等，其中以格里奇格栅填料最具代表性。 格栅填料的比表面积较低，主要用于要求压降小、负荷大及防堵等场合。
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! R  L7 N: F9 h* v' W! v% M6 H波纹填料

" ?9 v0 P9 D' b% h) z  e波纹填料在工业上应用的规整填料绝大部分为波纹填料，它是由许多波纹薄板组成的圆盘状填料，波纹与塔轴的倾角有30°和45°两种，组装时相邻两波纹板反向靠叠。各盘填料垂直装于塔内，相邻的两盘填料间交错90°排列。

6 U3 h+ U8 W  F1 H8 [波纹填料按结构可分为网波纹填料和板波纹填料两大类，其材质又有金属、塑料和陶瓷等之分。

# M* ^! S3 C* a金属丝网波纹填料是网波纹填料的主要形式，它是由金属丝网制成的。金属丝网波纹填料的压降低，分离效率很高，特别适用于精密精馏及真空精馏装置，为难分离物系、热敏性物系的精馏提供了有效的手段。尽管其造价高，但因其性能优良仍得到了广泛的应用。

金属板波纹填料是板波纹填料的一种主要形式。该填料的波纹板片上冲压有许多f5mm左右的小孔，可起到粗分配板片上的液体、加强横向混合的作用。波纹板片上轧成细小沟纹，可起到细分配板片上的液体、增强表面润湿性能的作用。金属孔板波纹填料强度高，耐腐蚀性强，特别适用于大直径塔及气液负荷较大的场合。
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金属压延孔板波纹填料是另一种有代表性的板波纹填料。它与金属孔板波纹填料的主要区别在于板片表面不是冲压孔，而是刺孔，用辗轧方式在板片上辗出很密的孔径为0.4～0.5mm小刺孔。其分离能力类似于网波纹填料，但抗堵能力比网波纹填料强，并且价格便宜，应用较为广泛。