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。$ V3 A) ?8 M$ K) J, ~! S" \
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3 ^ H3 t8 o/ Y- z6 h T1填料的定义$ @/ t& w" y E. L) O- e1 R! J
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填料泛指被填充于其他物体中的物料。1 J/ g$ J" B( P8 Z$ {
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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。4 L: a$ D' s6 d, N: @
# m+ j( \9 u% {* g; _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。/ x% |8 M1 c4 E
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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。# ` d" V; @# t6 l; i- m
3 V8 s3 i9 t e5 Z! X) E6 k% I7 b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。& |3 E! X$ G$ V5 l6 T
$ K/ a, |- W F/ o% k: W- V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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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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, X" f8 r: ~ a' `: G(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。
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(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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T2 r/ I* G3 _) R% _5 J! g- L(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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填料性能优劣主要取决于:* X# U0 w+ {5 f6 r1 e+ u; g- u
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有较大的比表面积(m2/m3填料层)6 [" h, o) ?/ |, P8 W" |
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液体在填料表面有较好的均匀分布性能* U' q( i. U& k4 d+ Z
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气流能在填料层中均匀分布
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2 {' i2 _" Q& E a5 l调料具有较大的空隙率(m3/m3填料层)。3 L: E5 d: w. Q- b" F
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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。" F, O' s5 b+ Y/ Q: e/ T
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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。5 g4 _. B" E+ Q
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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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y0 w1 m$ e/ `# x8 n* i填料种类的选择
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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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1)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。
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" v4 R; R1 E0 T/ W0 r7 V2)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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6 I, U/ @5 o9 S6 Y5 ?! Z3)填料层的压降要低。3 a6 j5 u, I, ~: X' u! ?0 o6 K& T6 D; J- H
9 k$ s7 P) U, E5 r4)填料抗污堵性能强,拆装、检修方便。
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- _2 O4 J% ]1 S* m; g. N填料规格的选择
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# B+ @% d4 J9 [ \. N填料规格是指填料的公称尺寸或比表面积。. D. i \8 l4 y. Z$ ~
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(1)散装填料规格的选择
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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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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。; K. E: b0 E6 O' G1 v! j
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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 W2 K0 b H/ A" e, Y
+ f! U! B' w6 o(2)规整填料规格的选择( @5 q" b U$ e7 |% O
3 @; c/ O/ s" L4 Z" l3 e- m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。7 O* o& B% O8 [1 E- V6 v3 M
0 y+ J; e4 t, c, b! z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。- r e9 P6 s+ J1 x. b% t. g9 [
' { u6 M3 U K! L h6 {" h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。$ d9 T! W; z( s# _& a
3 v! b1 ?8 o/ D# m: x, W8 c填料材质的选择6 J4 l$ w1 U- Z6 ~6 P+ A8 G% Z+ t
: n4 r6 y+ V) H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6 { {* q/ @7 q' T
; I* v% I9 @; t9 T! S0 V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
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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。
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h+ D* K o/ ~7 }, ?$ e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。+ r$ r* x/ c. @8 g8 W& z
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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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* q' M4 N' d& {0 F) x2 g0 h金属填料可用多种材质制成,选择时主要考虑腐蚀问题。+ F- h. k, w$ d1 W& V) a# r
3 O$ j1 H4 m+ ^) R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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' e' _3 p6 p3 }7 L( s3 P2 S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。 W! R! \9 l2 y7 p
1 D) u! e" B9 n& J M$ X! E$ f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7 X- Z; C% M2 A+ T+ r: B
6 v, m) X3 [+ o7 S8 b4 n J! H$ ~" c拉西环填料* k D) p% F' F3 }$ x- U2 n
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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。! {& X4 J1 x* `6 R
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鲍尔环填料$ Z$ I' I+ o$ S
& y% s, t' G/ g! m5 c6 [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。' d$ F6 ?1 _+ [
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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。
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m; u* b2 s3 G/ N+ ?8 ~/ \阶梯环填料' {9 @' y0 s- }# o+ D* t
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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。
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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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! O1 o' ? H3 h D, ]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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; U, W: \: a4 e x, W3 {弧鞍填料
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( g! ~* S: m8 a: p' V8 U$ O! z+ E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。 o; b/ V. _5 W+ e; D( U% N9 I
i) [: o1 V. [" A2 n- Z; x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。
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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。# x1 e/ v6 Z* ]% Y/ w
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矩鞍填料5 b7 M% Y9 W4 }3 U6 ~
. [" y/ q8 g- I9 A* @& I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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( J4 l, D1 p% p* R7 W1 O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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金属环矩鞍填料
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" ]6 G: r) C8 G [! I. h# o3 j( I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。6 t \+ p/ H2 L# o4 L6 t- S* h% x
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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。) g$ l3 ~' {/ }5 Y2 j" W5 z& l
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球形填料: K1 f9 S) m4 M2 \( C
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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。+ A" c7 V: F) ?9 x& I& T
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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。1 r+ T' H/ r$ W* M' f
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规整填料
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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。+ O( [9 R8 p' V" G
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格栅填料0 S7 [; ~! F* v$ }# L% P
8 J( y1 C; O( z; Y, D# y5 j1 R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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q! q1 @3 I. K1 C/ {, r1 ?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。% L: l: G) n# U0 \/ i V
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波纹填料
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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。- ?1 I, E6 Z# e( e4 n# w. e
- X1 u' ~$ |- Z1 `" N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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) s5 O- X$ \0 Q* R& ?5 [3 v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。
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