廢氣（涉VOCs）洗滌塔中常見填料種類、特點及選擇

在很多VOCs廢氣治理項目中，洗滌塔是常見的預處理/治理設備，但洗滌塔內如何根據VOCs成分及風量進行合理設計？這里涉及眾多化工知識，例如需要如何涉及塔高，直徑，確定風速，確定洗滌液的循環量等等問題。甚至，如果該洗滌塔為填料塔，填料層如何設計，填料的選型該最終如何確定。今天，我們先來看看用于VOCs廢氣治理中，洗滌塔中的填料種類及對應的特點。

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，例如鮑爾環和拉西環等，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，拉西環最差。
填料的選擇包括確定填料的種類、規格及材質等。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。

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。

填料規格的選擇

填料規格是指填料的公稱尺寸或比表面積。
(1)散裝填料規格的選擇
工業塔常用的散裝填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等幾種規格。
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定，一般塔徑與填料公稱直徑的比值D/d應大于8。
(2)規整填料規格的選擇
工業上常用規整填料的型號和規格的表示方法很多，國內習慣用比表面積表示，主要有125、150、250、350、500、700等幾種規格。
同種類型的規整填料，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。

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

拉西環填料

拉西環填料于1914年由拉西(F. Rashching)發明，為外徑與高度相等的圓環。拉西環填料的氣液分布較差，傳質效率低，阻力大，通量小，工業上已較少應用。

鮑爾環填料

鮑爾環填料是對拉西環的改進，在拉西環的側壁上開出兩排長方形的窗孔，被切開的環壁的一側仍與壁面相連，另一側向環內彎曲，形成內伸的舌葉，諸舌葉的側邊在環中心相搭。
鮑爾環由于環壁開孔，大大提高了環內空間及環內表面的利用率，氣流阻力小，液體分布均勻。與拉西環相比，鮑爾環的氣體通量可增加50%以上，傳質效率提高30%左右。鮑爾環是一種應用較廣的填料。

階梯環填料

階梯環填料是對鮑爾環的改進，與鮑爾環相比，階梯環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。
階梯環的綜合性能優于鮑爾環，成為所使用的環形填料中最為優良的一種。

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，工業生產中應用不多。

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，其性能優于拉西環。國內絕大多數應用瓷拉西環的場合，均已被瓷矩鞍填料所取代。

金屬環矩鞍填料

環矩鞍填料(國外稱為Intalox)是兼顧環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，故又稱為金屬環矩鞍填料。
環矩鞍填料將環形填料和鞍形填料兩者的優點集于一體，其綜合性能優于鮑爾環和階梯環，在散裝填料中應用較多。

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出來，如共軛環填料、海爾環填料、納特環填料等。

規整填料

規整填料是按一定的幾何構形排列，整齊堆砌的填料。規整填料種類很多，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則組合而成的，具有多種結構形式。工業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

波紋填料在工業上應用的規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，但因其性能優良仍得到了廣泛的應用。

金屬板波紋填料是板波紋填料的一種主要形式。該填料的波紋板片上沖壓有許多f5mm左右的小孔，可起到粗分配板片上的液體、加強橫向混合的作用。波紋板片上軋成細小溝紋，可起到細分配板片上的液體、增強表面潤濕性能的作用。金屬孔板波紋填料強度高，耐腐蝕性強，特別適用于大直徑塔及氣液負荷較大的場合。

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。