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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9 d; C& _( ?# J, p4 g1填料的定义. T8 Q) f( X* ~0 a5 N; ^
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填料泛指被填充于其他物体中的物料。 _8 m/ q! i- w; F& e
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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。$ F4 `5 O$ a3 W+ Y7 V/ v: H+ G
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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。1 {* Q5 Q) V7 I$ P G& C7 i
6 d# e, g# e* F. x! c+ D& o H& S& e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。+ ?% `1 c& U: R! s1 V2 D+ K* V. J
a( i5 I2 H ]% y* c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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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。8 P4 w4 ?! d( [ E' R
9 P7 L/ D: ~! o! t! y2填料选用准则$ S7 \$ r- M8 ^, y- L
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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。, G+ Q9 H2 B, _0 }3 C' ?. \
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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。& q: L% x! g5 v
3 k# `2 ]' y, x4 a* b+ B(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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; D Z0 M/ H7 m) E0 |: 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。; j) g8 P; [$ }$ c. Q, w; b% b; ?( Z
: Y& ?/ o2 }! Z9 |. t1 `填料性能优劣主要取决于:
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# \( ^; a# ^$ q' ^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9 c- ?2 h: Y8 Z
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气流能在填料层中均匀分布( R2 M# P1 f1 ]( `' ?
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调料具有较大的空隙率(m3/m3填料层)。* R" a; d8 g: Z% g+ X3 B
( J# `* h5 X- F6 j1 I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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) X# H8 R9 x+ o& ?% p" Q5 n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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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。8 I: R& o/ l3 V4 A) K
4 G6 _. B* n2 a P; t& C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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R# A; N, n* z0 X- N1)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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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。5 c; }- F! P y6 g0 M
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4)填料抗污堵性能强,拆装、检修方便。+ a, f/ M! V' S" `4 ]4 \3 o
! J8 {3 k* [. A- I$ J填料规格的选择4 E" h: G- G8 l f
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填料规格是指填料的公称尺寸或比表面积。. ~8 z2 {/ c* Z) C# l! N1 X
& ?2 b* D5 G$ @# L+ s( F6 B(1)散装填料规格的选择2 x/ ~! z. P5 B: H1 Q+ G( i
9 l# G( s: V7 H Z7 g c工业塔常用的散装填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等几种规格。1 D; O: z! ]! I5 `; y3 D
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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。
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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。
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4 F2 C' B& j, A s) m. E(2)规整填料规格的选择. I: X7 y* y1 y. p7 K2 x: a
! z% B; J7 G9 X4 _6 i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。. b9 J1 c+ W, S
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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。/ D/ W8 h8 L% ~/ Z/ p: @
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填料材质的选择
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$ K, a4 e# L0 J5 c8 f$ h填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。/ m) O% C6 i9 x; k0 O7 {
: ~# s6 I5 p) D) K(1)陶瓷填料1 U, |8 o9 ^! {4 u6 J( V& J
% k n" G4 |8 ?5 K+ x2 ]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。- b$ p2 ]8 s$ i: i- g. O
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(2)塑料填料
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* [6 G+ `/ [/ E$ _7 O. B. `* }0 ^5 R& @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。& J1 G, h3 n/ w9 V; e) W9 W
4 r& _1 ^8 n# i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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$ G, h; B& E) |# C! B! m8 t3 d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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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。0 T! Q; f8 y, S) Y% Y3 P0 i4 a* x
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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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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。% X/ Y* c3 d5 c. ]8 o
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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。. a3 x6 U# E# s: P* p' m0 g0 w) |
, `6 N9 z" S# ?5 ^+ s3填料的种类
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- H! }9 b3 ]( R% D拉西环填料
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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。) f( L6 P7 B. X" G& ]4 X A
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鲍尔环填料6 _( W* i' F% g8 Q O) P: J$ w% a
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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。) B/ L O3 `4 V; A2 q4 t: j$ ^
) C3 ]* H- e8 l. F2 z% X0 s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。7 k* f6 ~( I N5 o1 G
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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。* C* l* n$ M0 L$ _4 G, A7 y
! U8 v* c% o0 r' V+ o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。1 z: R+ S5 G( J7 ~# u
7 H! g" x1 t+ o6 r0 E# E- ^4 O弧鞍填料
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0 P8 Q. T8 y% b/ N% ^* F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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6 M" c3 n$ k1 P9 W; n! @" @/ x+ H. }1 |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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矩鞍填料
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0 ?0 P% j% j; o; c; H: F' O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。5 B' w! Q) I- D
9 J: M% E' }+ G4 y" G4 C0 V3 i$ N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。! o. C8 Z* c0 y; F
) Q9 g# e6 X9 z: A金属环矩鞍填料
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5 M6 i: L% i: Z9 N2 h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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0 {1 j$ ~' V5 M) P; Q$ s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。$ \/ _3 h" d: ]! ]- r, K5 H
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球形填料
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/ Q8 r' U+ X2 |7 c! ^) E6 X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。6 `4 h) u b- @% M: _0 m: t6 `% T
& q! @1 ^8 \+ o7 i; A: r! h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。9 d# k4 D/ Y: {3 f0 j, C; M1 c. T
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格栅填料
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# P9 X3 U; L3 x W& f9 H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。; b! o# u7 x+ N
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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。) |$ b, I( z6 j0 s- P& ]
% B0 P; s* {* `" R0 l: |波纹填料
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) n, C | H, @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。+ e5 Q, s5 w% h7 o! p
$ J9 ]. g3 Z& R% ^" C" ?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。+ Q( h$ r. y# a
, V1 W5 G# [4 Y3 U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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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。, a2 `. A. }, s6 L1 v, {
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