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。% s+ V. P7 C @- r" r3 g
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1填料的定义$ J; N. M) f7 m% O
+ r' P0 E a# c( p填料泛指被填充于其他物体中的物料。/ Q( D- e# T, d, x+ K2 C
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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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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。( H1 V" ?3 j1 `
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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。! l; G* G! `' [4 S$ k5 s
# U2 Y4 v# d b) \+ f4 ~/ Y! L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。' j8 r( M- ~$ b$ o
3 p. u5 J. P' j' c# U' O$ C; S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' D! x8 ^ Y( c$ T1 t% w' r k5 h- \* k, g
7 O" Z8 Z5 ~+ l- q+ {, Z3 ?0 U( J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。- q S7 T: m3 k3 k; ^
I( n3 J; }% w: i9 Y(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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(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。2 D: U% W. |7 e, X" F I0 M
3 r4 {7 X9 @1 y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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$ L3 A( }0 C* `+ V% @' n液体在填料表面有较好的均匀分布性能
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气流能在填料层中均匀分布" n) V7 d! K& a0 P
8 W7 c0 W2 x$ h% u8 x' @% h调料具有较大的空隙率(m3/m3填料层)。: Q5 w9 N& L) }. G- {( ~1 A
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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。
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8 Q3 M4 @4 [3 H) p0 y) e9 S+ U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。
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5 \6 s( ?8 M, Y, n! c7 D& y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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5 D' y& _+ k( w1)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。& j- J9 L9 D# v( Q* c
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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。7 U! u& R# i3 ]8 {& l5 n" h: D, Z
9 L! ~0 Y: N5 z( r3)填料层的压降要低。* I6 D& t L1 o6 A+ z
, F6 W; S% V9 H7 C4)填料抗污堵性能强,拆装、检修方便。0 c2 h+ J8 K' ^9 R) d( ?% U% d
* B9 d5 i* Z; b3 I* E2 u, t2 D1 A填料规格的选择9 T- `9 G0 F# ^9 Q1 M. ]7 f
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填料规格是指填料的公称尺寸或比表面积。" L' n4 z/ x( @( x5 O
+ q. J% f4 P# h(1)散装填料规格的选择
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3 m: n, `6 L4 R8 ]1 c工业塔常用的散装填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等几种规格。( }( A. G4 w' B
8 @/ r+ w3 `: h+ t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/ b, G" b1 a4 z+ a/ w
" C& c4 O3 d4 M) ?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。# u4 h% v4 j7 q$ T& [4 y3 g
( m/ n u, T( U) D: Y. w(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。/ d" g, W4 ^0 n
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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。
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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。* C" M% j% h- p! W1 ~
! ]+ E* g8 w# I填料材质的选择
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填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。: M; _1 {9 b& M1 `- L. C
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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。
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- P3 q2 b) \$ ^$ h' p$ |1 O(2)塑料填料9 Z5 c$ T: }) M* _- E- R
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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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5 D X" Z: z6 J( F/ w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。( |$ A& n6 ]6 M% \
% ~+ p+ Y8 q" c$ g! U5 @. q7 y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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. _' k/ H8 A# y(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。# ^, \7 @9 Z( d; l
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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。* D5 a, t5 F. i" \8 Q, p5 i
: _! o. |8 F; c& @2 }6 E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。
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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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5 [1 \- @0 g1 s拉西环填料( D* C/ C Q- h* N& k0 o* _
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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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鲍尔环填料. T2 {% a( n7 _: E: N9 P& Z
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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。4 r/ a; x/ D2 d Z6 k9 b
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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。! E4 S- E! p! G4 d9 h# U" N- M9 U
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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。+ x% P/ [6 ^- s; H. u
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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。9 t! p5 B, i8 ~
6 r' i6 V+ ~' A0 h' d0 g; h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。% D3 V$ _, j3 n* ^1 N
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弧鞍填料* w6 f: z; O" g" V2 B, d
8 Z& h( w y( |: 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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9 C( p, b7 K4 D5 h1 \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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- R3 i3 z% g' p3 h4 U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。' O4 y) a( b5 L* w: L3 k* k
4 z% ^2 n4 b- J7 C- x5 `9 L/ w1 s矩鞍填料
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& ^3 W1 t# s8 a% d+ G# y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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3 Q; n! R2 X. j& D) F9 l. L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, ~5 v8 F9 L) N, c
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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。! Y9 ?+ Z8 ?2 |: h
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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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" k/ O, U% l+ B球形填料2 \( K( h& f5 X+ L( f
. b0 n' Y; e6 s/ z6 W7 `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。- Q7 x7 y3 B _ H3 A
; V D) J4 y; j5 f9 e; x: Y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。% ^0 M/ G+ V" K* |$ H
$ Z: K; v, u1 f9 Z' X规整填料# P8 z7 B/ b" j- w' Z- R
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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。% C7 m& R4 t+ h5 `5 I
/ h8 m2 F% | Q3 h格栅填料
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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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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。+ c; g+ c9 `8 V# r2 z' @# B7 \
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波纹填料9 a& S- w% K- f# J( E' A) `
+ _& }& Y x2 Q2 x+ K* y2 x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。7 r1 ?3 ?" W) _: a& r7 M4 X
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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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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。# a% K; ^, U" z7 p
* H S8 I- X! W* A& G( T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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6 t4 o, i0 F2 q+ [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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