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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)波紋填料綜合性能最好，拉西環(huán)最差。
填料的選擇包括確定填料的種類、規(guī)格及材質(zhì)等。所選填料既要滿足生產(chǎn)工藝的要求，又要使設(shè)備投資和操作費(fèi)用最低。
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(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。
(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 最大缺點(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)用范圍最為廣泛。
填料的種類
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)形填料中最為優(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�；“疤盍蠌�(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)整填料種類很多，根據(jù)其幾何結(jié)構(gòu)可分為格柵填料、波紋填料等。
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)用最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最具代表性。 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。
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。各盤填料垂直裝于塔內(nèi)，相鄰的兩盤填料間交錯(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，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。
波紋填料的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)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。
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(guī)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(kuò)大，氣液兩相通過(guò)時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍動(dòng)。在縮頸段，氣速最高，湍動(dòng)劇烈，從而強(qiáng)化傳質(zhì)。在擴(kuò)大段，氣速減到最小，實(shí)現(xiàn)兩相的分離。流道收縮、擴(kuò)大的交替重復(fù)，實(shí)現(xiàn)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(yīng)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(xì)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(xù)繩狀，截面呈圓形。它具有高度的柔順性，極好的填充性、自潤(rùn)滑性、低摩擦系數(shù)、耐腐蝕等性能。
優(yōu)點(diǎn)：
裝填方便快捷。裝填時(shí)一般不必拆卸閥門，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。
密封性能優(yōu)異。膨脹聚四氟乙烯獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)賦予該產(chǎn)品極佳的柔韌性和模塑性，使它能輕易地將填料函內(nèi)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、磨損的舊閥門避免更換或修理。
使用壽命長(zhǎng)。因它長(zhǎng)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(zhǎng)期使用。
閥門開(kāi)閉靈活輕便。因?yàn)榫鬯姆蚁┚哂凶畹偷哪Σ料禂?shù)和優(yōu)異的自潤(rùn)滑性。
不污染管道中的流體。因?yàn)樗鼭嵃赘蓛�，不�?huì)因腐蝕老化而脫落，使它特別適用于醫(yī)藥、精細(xì)化工、食品等行業(yè)。
規(guī)格通用性好，減少填料儲(chǔ)存量，節(jié)約開(kāi)支。只需備置幾種粗細(xì)規(guī)格的閥桿填料，就能滿足大多數(shù)閥門之需求。
一般選用能用手嵌入的最大號(hào)這種填料，但較細(xì)的'該種填料，也可用于大規(guī)格的閥門中，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(jié)填料那樣切斷后盤成環(huán)狀，而且是根據(jù)軸頸大小制成環(huán)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、云母、金屬粉(或金屬鱗片)、油脂與彈性粘結(jié)劑相混合后，模壓成環(huán)形，再在外層編結(jié)一層石棉紗(根據(jù)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(dāng)容易影響密封性能，所以該方法較少使用。
可以根據(jù)工作條件調(diào)節(jié)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(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(jié)劑等。
由于這種填料不含潤(rùn)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(rùn)滑劑，則可以保證良好的自潤(rùn)滑性能，且結(jié)構(gòu)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。
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，還可以內(nèi)夾橡膠芯等軟質(zhì)填料或嵌人彈簧，幾種積層填料的結(jié)構(gòu)。
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(fù)運(yùn)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(fù)泵活塞環(huán)。由于積層填料中所含潤(rùn)滑劑不足，使用過(guò)程中需添加潤(rùn)滑劑。
總結(jié)
選擇填料時(shí)，對(duì)于某種特殊應(yīng)用，填料的最佳標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)復(fù)合材料所期望達(dá)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(jié)構(gòu)，并保持惰性、不溶性、熱穩(wěn)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(wěn)定。
