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填料的定義
填料泛指被填充于其他物體中的物料。
在化學工程中，填料指裝于填充塔內的惰性固體物料，例如鮑爾環(huán)和拉西環(huán)等，其作用是增大氣-液的接觸面，使其相互強烈混合。
在化工產品中，填料又稱填充劑，是指用以改善加工性能、制品力學性能并(或)降低成本的固體物料。
在污水處理領域，主要用于接觸氧化工藝，微生物會在填料的表面進行累積，以增大與污水的表面接觸，對污水進行降解處理。
優(yōu)點：結構簡單、壓力降小、易于用耐腐蝕非金屬材料制造等。對于氣體吸收、真空蒸餾以及處理腐蝕性流體的操作，頗為適用。
缺點：當塔頸增大時，引起氣液分布不均、接觸不良等，造成效率下降，即稱為放大效應。同時填料塔還有重量大、造價高、清理檢修麻煩、填料損耗大等缺點。
填料選用準則
填料的幾何特性數據主要包括比表面積、空隙率、填料因子等，是評價填料性能的基本參數。
(1)比表面積單位體積填料的填料表面積稱為比表面積，以a表示，其單位為m2/m3。填料的比表面積愈大，所提供的氣液傳質面積愈大。因此，比表面積是評價填料性能優(yōu)劣的一個重要指標。
(2)空隙率單位體積填料中的空隙體積稱為空隙率，以e 表示，其單位為m3/m3，或以%表示。填料的空隙率越大，氣體通過的能力越大且壓降低。因此，空隙率是評價填料性能優(yōu)劣的又一重要指標。
(3)填料因子填料的比表面積與空隙率三次方的比值，即a/e 3，稱為填料因子，以f表示，其單位為1/m。它表示填料的流體力學性能，f值越小，表明流動阻力越小。
填料性能優(yōu)劣主要取決于：
有較大的比表面積(m2/m3填料層)
液體在填料表面有較好的均勻分布性能
氣流能在填料層中均勻分布
調料具有較大的空隙率(m3/m3填料層)。
在相同的操作條件下，填料的比表面積越大，氣液分布越均勻，表面的潤濕性能越好，則傳質效率越高;填料的空隙率越大，結構越開敞，則通量越大，壓降亦越低。
采用模糊數學方法對九種常用填料的性能進行了評價，絲網波紋填料綜合性能最好，拉西環(huán)最差。
填料的選擇包括確定填料的種類、規(guī)格及材質等。所選填料既要滿足生產工藝的要求，又要使設備投資和操作費用最低。
1 填料種類的選擇
填料種類的選擇要考慮分離工藝的要求,通常考慮以下幾個方面：
1)傳質效率要高一般而言，規(guī)整填料的傳質效率高于散裝填料。
2)通量要大。在保證具有較高傳質效率的前提下，應選擇具有較高泛點氣速或氣相動能因子的填料。
3)填料層的壓降要低。
4)填料抗污堵性能強，拆裝、檢修方便。
2 填料規(guī)格的選擇
填料規(guī)格是指填料的公稱尺寸或比表面積。
(1)散裝填料規(guī)格的選擇
工業(yè)塔常用的散裝填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等幾種規(guī)格。
同類填料，尺寸越小，分離效率越高，但阻力增加，通量減少，填料費用也增加很多。而大尺寸的填料應用于小直徑塔中，又會產生液體分布不良及嚴重的壁流，使塔的分離效率降低。
因此，對塔徑與填料尺寸的比值要有一規(guī)定，一般塔徑與填料公稱直徑的比值D/d應大于8。
(2)規(guī)整填料規(guī)格的選擇
工業(yè)上常用規(guī)整填料的型號和規(guī)格的表示方法很多，國內習慣用比表面積表示，主要有125、150、250、350、500、700等幾種規(guī)格。
同種類型的規(guī)整填料，其比表面積越大，傳質效率越高，但阻力增加，通量減少，填料費用也明顯增加。
選用時應從分離要求、通量要求、場地條件、物料性質及設備投資、操作費用等方面綜合考慮，使所選填料既能滿足技術要求，又具有經濟合理性。
3 填料材質的選擇
填料的材質分為陶瓷、金屬和塑料三大類。
(1)陶瓷填料
陶瓷填料具有很好的耐腐蝕性及耐熱性，陶瓷填料價格便宜，具有很好的表面潤濕性能，質脆、易碎是其 最大缺點。在氣體吸收、氣體洗滌、液體萃取等過程中應用較為普遍。
(2)塑料填料
塑料填料的材質主要包括聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)及聚氯乙烯(PVC)等，國內一般多采用聚丙烯材質。塑料填料的耐腐蝕性能較好，可耐一般的無機酸、堿和有機溶劑的腐蝕。其耐溫性良好，可長期在100℃以下使用。
塑料填料質輕、價廉，具有良好的韌性，耐沖擊、不易碎，可以制成薄壁結構。它的通量大、壓降低，多用于吸收、解吸、萃取、除塵等裝置中。
塑料填料的缺點是表面潤濕性能差，但可通過適當的表面處理來改善其表面潤濕性能。
(3)金屬填料
金屬填料可用多種材質制成，選擇時主要考慮腐蝕問題。
碳鋼填料造價低，且具有良好的表面潤濕性能，對于無腐蝕或低腐蝕性物系應優(yōu)先考慮使用。
不銹鋼填料耐腐蝕性強，一般能耐除Cl- 以外常見物系的腐蝕，但其造價較高，且表面潤濕性能較差，在某些特殊場合(如極低噴淋密度下的減壓精餾過程)，需對其表面進行處理，才能取得良好的使用效果。
鈦材、特種合金鋼等材質制成的填料造價很高，一般只在某些腐蝕性極強的物系下使用。
一般來說，金屬填料可制成薄壁結構，它的通量大、氣體阻力小，且具有很高的抗沖擊性能，能在高溫、高壓、高沖擊強度下使用，應用范圍最為廣泛。
填料的種類
1 拉西環(huán)填料
拉西環(huán)填料于1914年由拉西(F. Rashching)發(fā)明，為外徑與高度相等的圓環(huán)。拉西環(huán)填料的氣液分布較差，傳質效率低，阻力大，通量小，工業(yè)上已較少應用。
2 鮑爾環(huán)填料
鮑爾環(huán)填料是對拉西環(huán)的改進，在拉西環(huán)的側壁上開出兩排長方形的窗孔，被切開的環(huán)壁的一側仍與壁面相連，另一側向環(huán)內彎曲，形成內伸的舌葉，諸舌葉的側邊在環(huán)中心相搭。
鮑爾環(huán)由于環(huán)壁開孔，大大提高了環(huán)內空間及環(huán)內表面的利用率，氣流阻力小，液體分布均勻。與拉西環(huán)相比，鮑爾環(huán)的氣體通量可增加50%以上，傳質效率提高30%左右。鮑爾環(huán)是一種應用較廣的填料。
3 階梯環(huán)填料
階梯環(huán)填料是對鮑爾環(huán)的改進，與鮑爾環(huán)相比，階梯環(huán)高度減少了一半并在一端增加了一個錐形翻邊。
由于高徑比減少，使得氣體繞填料外壁的平均路徑大為縮短，減少了氣體通過填料層的阻力。錐形翻邊不僅增加了填料的機械強度，而且使填料之間由線接觸為主變成以點接觸為主，這樣不但增加了填料間的空隙，同時成為液體沿填料表面流動的匯集分散點，可以促進液膜的表面更新，有利于傳質效率的提高。
階梯環(huán)的綜合性能優(yōu)于鮑爾環(huán)，成為所使用的環(huán)形填料中最為優(yōu)良的一種。
4 弧鞍填料
弧鞍填料屬鞍形填料的一種，其形狀如同馬鞍，一般采用瓷質材料制成。
弧鞍填料的特點是表面全部敞開，不分內外，液體在表面兩側均勻流動，表面利用率高，流道呈弧形，流動阻力小。
其缺點是易發(fā)生套疊，致使一部分填料表面被重合，使傳質效率降低。弧鞍填料強度較差，容破碎，工業(yè)生產中應用不多。
5 矩鞍填料
矩鞍填料將弧鞍填料兩端的弧形面改為矩形面，且兩面大小不等，即成為矩鞍填料。
矩鞍填料堆積時不會套疊，液體分布較均勻。矩鞍填料一般采用瓷質材料制成，其性能優(yōu)于拉西環(huán)。國內絕大多數應用瓷拉西環(huán)的場合，均已被瓷矩鞍填料所取代。
6 金屬環(huán)矩鞍填料
環(huán)矩鞍填料(國外稱為Intalox)是兼顧環(huán)形和鞍形結構特點而設計出的一種新型填料，該填料一般以金屬材質制成，故又稱為金屬環(huán)矩鞍填料。
環(huán)矩鞍填料將環(huán)形填料和鞍形填料兩者的優(yōu)點集于一體，其綜合性能優(yōu)于鮑爾環(huán)和階梯環(huán)，在散裝填料中應用較多。
7 球形填料
球形填料一般采用塑料注塑而成，其結構有多種。球形填料的特點是球體為空心，可以允許氣體、液體從其內部通過。由于球體結構的對稱性，填料裝填密度均勻，不易產生空穴和架橋，所以氣液分散性能好。球形填料一般只適用于某些特定的場合，工程上應用較少。
除上述幾種較典型的散裝填料外，不斷有構型獨特的新型填料開發(fā)出來，如共軛環(huán)填料、海爾環(huán)填料、納特環(huán)填料等。
8 規(guī)整填料
規(guī)整填料是按一定的幾何構形排列，整齊堆砌的填料。規(guī)整填料種類很多，根據其幾何結構可分為格柵填料、波紋填料等。
格柵填料
格柵填料是以條狀單元體經一定規(guī)則組合而成的，具有多種結構形式。工業(yè)上應用最早的格柵填料為木格柵填料。
應用較為普遍的有格里奇格柵填料、網孔格柵填料、蜂窩格柵填料等，其中以格里奇格柵填料最具代表性。 格柵填料的比表面積較低，主要用于要求壓降小、負荷大及防堵等場合。
波紋填料
波紋填料在工業(yè)上應用的規(guī)整填料絕大部分為波紋填料，它是由許多波紋薄板組成的圓盤狀填料，波紋與塔軸的傾角有30°和45°兩種，組裝時相鄰兩波紋板反向靠疊。各盤填料垂直裝于塔內，相鄰的兩盤填料間交錯90°排列。
波紋填料按結構可分為網波紋填料和板波紋填料兩大類，其材質又有金屬、塑料和陶瓷等之分。
金屬絲網波紋填料是網波紋填料的主要形式，它是由金屬絲網制成的。金屬絲網波紋填料的壓降低，分離效率很高，特別適用于精密精餾及真空精餾裝置，為難分離物系、熱敏性物系的精餾提供了有效的手段。盡管其造價高，但因其性能優(yōu)良仍得到了廣泛的應用.
金屬壓延孔板波紋填料是另一種有代表性的板波紋填料。它與金屬孔板波紋填料的主要區(qū)別在于板片表面不是沖壓孔，而是刺孔，用輾軋方式在板片上輾出很密的孔徑為0.4～0.5mm小刺孔。其分離能力類似于網波紋填料，但抗堵能力比網波紋填料強，并且價格便宜，應用較為廣泛。
波紋填料的優(yōu)點是結構緊湊，阻力小，傳質效率高，處理能力大，比表面積大(常用的有125、150、250、350、500、700等幾種)。波紋填料的缺點是不適于處理粘度大、易聚合或有懸浮物的物料，且裝卸、清理困難，造價高。
脈沖填料
脈沖填料是由帶縮頸的中空棱柱形個體，按一定方式拼裝而成的一種規(guī)整填料。
脈沖填料組裝后，會形成帶縮頸的多孔棱形通道，其縱面流道交替收縮和擴大，氣液兩相通過時產生強烈的湍動。在縮頸段，氣速最高，湍動劇烈，從而強化傳質。在擴大段，氣速減到最小，實現(xiàn)兩相的分離。流道收縮、擴大的交替重復，實現(xiàn)了“脈沖”傳質過程。
脈沖填料的特點是處理量大，壓降小，是真空精餾的理想填料。因其優(yōu)良的液體分布性能使放大效應減少，故特別適用于大塔徑的場合。
9 四氟填料
聚四氟乙烯閥桿填料是以聚四氟乙烯細粉料為原料，采用全新的工藝加工而成的一種柔軟制品。白色，連續(xù)繩狀，截面呈圓形。它具有高度的柔順性，極好的填充性、自潤滑性、低摩擦系數、耐腐蝕等性能。
優(yōu)點：
裝填方便快捷。裝填時一般不必拆卸閥門，只需將繩狀填料繞在閥桿上，推入填料函，上緊函蓋帽，填料即被壓成一個密實的整體。
密封性能優(yōu)異。膨脹聚四氟乙烯獨特的微觀結構賦予該產品極佳的柔韌性和模塑性，使它能輕易地將填料函內部空隙，甚至閥桿、函體上的所有凹坑和溝槽填密，這也使腐蝕、磨損的舊閥門避免更換或修理。
使用壽命長。因它長期保持的柔軟塑性，使泄漏缺口隨時被填塞，還因它不被腐蝕，不會老化，可保長期使用。
閥門開閉靈活輕便。因為聚四氟乙烯具有最低的摩擦系數和優(yōu)異的自潤滑性。
不污染管道中的流體。因為它潔白干凈，不會因腐蝕老化而脫落，使它特別適用于醫(yī)藥、精細化工、食品等行業(yè)。
規(guī)格通用性好，減少填料儲存量，節(jié)約開支。只需備置幾種粗細規(guī)格的閥桿填料，就能滿足大多數閥門之需求。
一般選用能用手嵌入的最大號這種填料，但較細的'該種填料，也可用于大規(guī)格的閥門中，壓緊后，也會塑變成型，得到密實的封填體。
10 塑性填料
塑性填料是經模具壓制成型的填料，使用時不需要像編結填料那樣切斷后盤成環(huán)狀，而且是根據軸頸大小制成環(huán)形。塑性填料有棉狀和積層兩種形式。
綿狀填料
綿狀填料是把纖維、石墨、云母、金屬粉(或金屬鱗片)、油脂與彈性粘結劑相混合后，模壓成環(huán)形，再在外層編結一層石棉紗(根據需要也可用金屬絲)。
還有一種使用方式是將混合物直接放人填料腔，經壓蓋壓緊后直接使用，由于填料沒有固定尺寸，填料裝填不當容易影響密封性能，所以該方法較少使用。
可以根據工作條件調節(jié)綿狀填料中各種混合料的種類和配比，例如高壓蒸汽密封加人銅粉、酸性介質密封加人鉛粒或鉛片、軸有振動時可加添較多的彈性良好的粘結劑等。
由于這種填料不含潤滑劑，所以高壓下其體積變化很小，可用于高速泵類和高壓閥門密封。如加人固體潤滑劑，則可以保證良好的自潤滑性能，且結構致密，有助于提高密封性。另外，綿狀填料有塑性流動性，還可以與金屬填料組合使用。
積層填料
這種填料是在石棉布或帆布的表面上涂敷橡膠，經疊合或者卷繞后熱壓硫化成型，還可以內夾橡膠芯等軟質填料或嵌人彈簧，幾種積層填料的結構。
積層填料密封性良好，可用于120℃以下的低壓蒸汽、水和氨液，主要用作往復運動的軸封和閥桿的密封，無接口的圈裝積層填料還可以用作往復泵活塞環(huán)。由于積層填料中所含潤滑劑不足，使用過程中需添加潤滑劑。
總結
選擇填料時，對于某種特殊應用，填料的最佳標準是根據復合材料所期望達到的性能而定，必須考慮到下述基本原則。
1、填料在加工過程中必須保持其原有結構，并保持惰性、不溶性、熱穩(wěn)定性、不揮發(fā)性、無催化活性和低的吸附性。
2、填料必須與基材能夠相容，無腐蝕性。
3、容易處理，堆積密度高，水分含量低，低塵，無毒性。
4、必須易得，貨源充足，價格適中，質量穩(wěn)定。
