有害废气 分享:洗涤塔填料种类、特点及选择 [复制链接]

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京东
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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1填料的定义8 |2 n% [+ q0 H; L8 W7 n

& h+ L+ w' a& B& \填料泛指被填充于其他物体中的物料。" S2 ]4 [, A' {4 h$ w

* t5 X" X8 y' ~  p! `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。3 J0 @( |* A8 F! D
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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。8 L  Z9 y& s. x/ t" n9 g4 s
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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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# S7 |. N5 d+ D, B: ^3 Y/ _9 `, Z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。. \3 ?# Z* q5 `' r# |) y
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2填料选用准则
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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。
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(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。" z7 i$ M' n" f/ @9 P+ ?+ V+ s

/ P' K4 p# S: [4 O7 U1 d! o  I(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。
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(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。
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" O2 `0 o/ P, L8 p, T) t. b9 Y+ s填料性能优劣主要取决于:
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有较大的比表面积(m2/m3填料层)
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' f0 z3 T$ g2 v6 a+ ~液体在填料表面有较好的均匀分布性能! g( ?! h' G6 ]# l/ x  A! \3 C' `
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气流能在填料层中均匀分布
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% x! o4 `$ \6 _. Z6 Z/ r: a! h调料具有较大的空隙率(m3/m3填料层)。1 h7 h* T3 W; e8 r

! T1 L- z% M9 c6 w; a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。+ h7 D! i# X! C' N3 ~" |4 ?9 [
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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。8 g( s, f1 Y: y. T

1 @0 h) l8 C& T! M3 Y- D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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填料种类的选择! Y4 _8 m: q4 C: {# m0 h
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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:
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) x7 g% B* P2 V, b1)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。8 ?0 g' I- E' c' e; [$ K  h
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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。* W& `: T; p* N7 N& N0 E

9 H8 g+ E4 W; G( X3)填料层的压降要低。+ e6 B* a% A) s, m

4 I$ L6 _$ C' \( X/ c4)填料抗污堵性能强,拆装、检修方便。! M7 P/ T/ A1 Z$ n1 q+ f
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填料规格的选择
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5 a( R. p, [9 \$ ]填料规格是指填料的公称尺寸或比表面积。
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(1)散装填料规格的选择
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& p$ ?$ P/ B/ E# Y" z( h4 t工业塔常用的散装填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等几种规格。
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/ h6 p7 \9 G2 E  L+ j8 @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。9 o. p+ j7 W1 S% L
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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。1 I$ W+ a5 C1 q: ^+ L
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(2)规整填料规格的选择
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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。- t& C0 z$ H/ h+ W# i

: n  T1 d. G. W- @6 `, |* \! J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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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。
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' m8 l3 M1 v  j2 I7 p, T% ^填料材质的选择, m" y6 [2 I' z# {6 y0 @
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填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。  ]3 I  @, U0 v$ a
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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。0 \7 m8 T: u. H! S& s( O

6 z% _+ k% K/ O(2)塑料填料& `( N6 G7 A9 e4 J7 v7 l
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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。* {: C. Q8 m( Q1 @

: i& R: H3 g* @8 j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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' F& f+ N; j4 ~$ L# U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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, C' ?; x6 r. c0 J9 f(3)金属填料
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: v& p" M, j: f  d1 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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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。
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) `# Y. W+ r( X  i' V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。# p& [1 t; R4 {

6 H; o5 @) ]" D& Z( n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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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" m9 G2 Y- e' |9 O& A3 L9 x7 D( ?
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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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( C( X0 h4 i( I3 K3 h鲍尔环填料
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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。
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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。) s/ x; P5 Y* g( v9 Z4 z

$ T# I( H; N7 D! J) o% b7 [( k6 X) p阶梯环填料2 U2 c* H9 _- W) S

  A* i* }/ F3 n! I* y: d, N3 X  @9 c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。* T# _7 @# l, ^1 U( W0 D! n
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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。
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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。* l% \" h3 n  s6 Y) T
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弧鞍填料
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$ T; ~; N4 |+ k0 W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。
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0 a, h% D" b, L+ u' m2 m9 T8 m& s- k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。2 b1 D6 f  N. ?% ^( I9 t$ B
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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。0 r& y8 K- r7 |& l

9 Q, c  `" l( u& b+ _矩鞍填料+ l/ c/ p7 L9 d8 ~

9 a! s$ E" ~! w6 U) b( `3 w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。: i# h+ ^1 f! S. D' [9 p
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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。
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2 |$ |3 ?2 O1 j, @( Y/ l金属环矩鞍填料' h  d5 A+ H& @/ o- L! v$ Z( X
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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。
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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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球形填料
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7 a4 _' i; t% w9 T* \; Q9 d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。9 A/ i3 C$ v, F7 u0 s( x
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规整填料
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9 v+ k, m0 T$ X" A5 W* Z5 i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。) e. M1 R3 K/ k; ^
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格栅填料  T5 S" h0 h; J' z: {
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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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* O# E8 o4 S" ?! J- s0 `  D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。& m! H: ~) p9 T
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波纹填料* [9 w( W/ A2 g4 n0 `0 o' A6 x1 B
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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。
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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。9 u3 H8 J' a& H* _( g4 a

9 s9 y$ D0 v- s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。
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/ P9 _% [/ u5 y8 C" ~8 N# V8 S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。4 |7 J4 D5 h, K* u$ |+ _/ m$ G7 q
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