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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! b$ B! }9 W5 D! N+ Q" J. B2 e1填料的定义2 X& d0 R1 Z; j0 K% w4 ]
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填料泛指被填充于其他物体中的物料。
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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。
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" ]" r4 W- I5 c# u, N. f2 t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。
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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。2 h  F* |" r  ~1 T9 Y. d

# f, h* s1 H' C2 k' I- C; E8 [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。- w: D3 E" z% g+ D  r

/ \: P; H1 Y) y/ K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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6 f9 _% }2 e9 S$ z1 i2填料选用准则% Y4 ~  \( J' J0 o) t3 E
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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。$ s3 G! y9 s5 M% Y6 O( [1 o9 e
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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。) }; m& x2 V2 P7 K7 a4 X

# S$ t4 [' S8 e2 u, \; W  M(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* r# f6 t  A$ Q

" H) p* P3 z! j3 ~# p0 N(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:. m4 e0 g3 |/ ]' w2 T3 R
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有较大的比表面积(m2/m3填料层)6 v) |/ z  M) J+ X5 f" N3 u6 F/ o

5 d+ p$ i0 p1 C9 g& q! p液体在填料表面有较好的均匀分布性能
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$ T$ E. ?8 d6 ^4 s+ `/ X气流能在填料层中均匀分布
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- m  M5 b) p8 v& `, q  c调料具有较大的空隙率(m3/m3填料层)。- u' }/ @% I- n0 U
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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。# |7 p/ S) G3 L' V

& Y! L/ s! v2 H1 Z* G5 Z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。$ |( j" Z7 _! h+ [4 `3 c* W

! {  N' r) G. Z9 G/ n6 H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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4 {8 q- v) |1 A' A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。7 u2 K# [, C& N# m3 y- R. c: c) x
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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。
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3)填料层的压降要低。
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4)填料抗污堵性能强,拆装、检修方便。) t: v/ K0 d3 @2 ?% e; s

' k4 ?1 ~9 k7 F6 k3 c' @  }$ g填料规格的选择( k3 }1 i) u  s" B2 k: n) U

' z* A( u1 S' z填料规格是指填料的公称尺寸或比表面积。  J1 q3 B1 r" g6 @' m8 k: q
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(1)散装填料规格的选择
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: O; {4 u2 P; g' }( R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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2 P8 |8 p  d, E) 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。
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, M8 a: X( q2 K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。
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1 b% `) K2 c7 k& ], ~: k(2)规整填料规格的选择( G  p6 {6 S5 r- F* M
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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。
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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。: R+ k4 r* Q6 V1 s! K
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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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* |& e, p& ]' u$ p( }( X2 c: _5 K4 h填料材质的选择
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8 t; _: p% N+ d7 G填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。! ^3 d# w) z- N/ ?

; u" w/ q0 E4 F* f(1)陶瓷填料7 |+ Q" X4 f2 ?( n; N6 Y

. g( h* d7 G- i( Z- E2 Z3 K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。/ g" x6 [6 ^8 p9 @

. C& p3 }$ u& L, ^( w(2)塑料填料
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# e, q( i% o& w' h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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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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+ F1 L2 }6 D1 T  e$ C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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6 M6 D( H8 \' f4 O9 L/ @. t* \9 [金属填料可用多种材质制成,选择时主要考虑腐蚀问题。( E! [- y# O' ~

2 \1 x* `+ g& W1 s4 W0 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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# r1 v3 _* h; @( |+ i$ W; P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。
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- z/ T* J: e- F' H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+ ~8 b* ^* c/ \+ O+ ^
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拉西环填料% b7 O7 V# _/ O* L1 A* ?3 h
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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。# Y$ `& H# q4 Q4 O; ^

7 _/ S: v0 I0 u5 r3 c鲍尔环填料" j# Q/ m1 P( Z4 S
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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。* e& F/ E, L! o1 w9 E

8 Y, S+ y5 f& w. _# K8 g  i' A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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$ H* s% v3 [9 X1 Y( L阶梯环填料9 {) y% ~2 l2 o, S0 M) j

, W  X( Q1 S0 K) H- P. o! a6 X5 I0 R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。6 d0 G( e9 R2 |# Z% ^& i

7 a! M) ~9 i/ C/ E3 l: R9 D  k$ M8 M0 W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。9 Y+ f/ }( M2 x% v' y
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弧鞍填料
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& a9 ~7 U) V* z. N/ P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。, v2 }1 ?8 ?2 Y% r/ y

7 |5 `  c5 h7 s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。
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" N8 |$ @/ S* ?7 B& ~矩鞍填料
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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。7 Q$ g9 K5 O( }( H9 W! z
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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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金属环矩鞍填料
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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。% F, Z  @2 N$ q
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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。& j/ {9 W! F# ?3 M
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球形填料( H$ k% D* O# \: ?# W: ^
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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。: b8 Y7 E+ M6 {! Y  R0 u1 c
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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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规整填料# }  A- I1 h" i* ^9 P
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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。
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格栅填料
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+ A( U' u' |  r" V1 g0 ]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。: Q# m% _. s9 ~( Z

- j# G9 V' K" M6 T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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3 H7 A2 s' |, d, x( k波纹填料  Z  a8 ~; }4 W, ^6 g
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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。
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- F/ M" R7 I4 X2 w7 y. {: V0 H- w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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8 h. }2 y+ a" U  ]6 P( `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。) `+ f8 d, I- s3 t  [- M6 n

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