技术| 塔器填料，不仅认识，更要会选
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介绍
之前小齐给大家介绍了各种塔设备的工作原理和特点，塔设备作为重要的单元操作设备，必须实现气液或液液两相间的充分接触，达到相间传质、传热的目的，而塔内部的填料或塔板至关重要。
今天我们先来详细介绍一下填充剂的各种类型以及如何选择填充剂才能达到最佳效果。
填料作为填料塔的核心内件，与其它内件一起决定了填料塔的性能，因此在设计填料塔时，首先要做的就是填料的选择，要选择合适的填料，首先要了解不同填料的性能。
根据填充方式，填料一般分为块状填料和结构化填料两大类。
散装填料是指以随机堆装方式安装的填料，该类填料为具有一定形状结构的粒状体，故又称颗粒填料，按形状可分为环状、马鞍状、环鞍状等。
以下是一些最常用的散装填料：
拉西环
1914年拉西环填料的诞生，标志着填料塔进入了新纪元，拉西环填料作为最早的工业填料，呈外径和高度相等的圆环，可用陶瓷、塑料、金属等材料制成。
其缺点是气液分布差，传质效率低，阻力大，通量小，目前工业上很少采用。
球环
1948年首先在德国出现，球环填料是在拉西环的基础上改进而来，其结构是在拉西环的侧壁上开两排矩形窗口，大大提高了环内空间和内表面的利用率，可用陶瓷、金属、塑料等材料制成。
其优点是与拉西环相比，其通量可提高50%以上，传质效率可提高30%左右，球环气流阻力小，液体分布均匀，是目前应用最广泛的填料之一。
阶梯环
阶梯环填料是球环填料的改进，与球环填料相比，阶梯环填料的高度只有球环填料的一半，且一端具有锥形转弯，由于阶梯环填料的高度与直径之比减小，气体通过填料时的阻力减小。
同时锥形法兰可增加填料的机械强度，同时使填料间由西安接触变为点接触，增大了填料间的间隙，有利于提高传质效率，是目前使用效果最好的环形填料类型。
弧形鞍形填料
它是一种马鞍形填料，形状像马鞍，一般由瓷器制成。它的特点是表面完全开放，不分内外，液体在表面两侧流动均匀，表面利用率高，流动呈弧形，阻力小。
但它的缺点是容易搭接，造成部分填料表面重叠，降低传质效率，同时强度差，容易破碎，因此在工业生产中应用并不广泛。
矩形鞍形填料
矩形鞍形填料是将弧形鞍形填料两端的弧面改为矩形面的填料，且两面大小不一。这样做的好处是堆叠时不会出现重叠，液体分布更均匀。其材质一般为瓷质，性能优于拉西环。目前，国内大部分使用瓷质拉西环的场合，已被瓷质矩形鞍形填料所取代。
环鞍填料（国外称）
它是1978年由美国一家公司推出的，是设计的一种兼有环和鞍形结构特点的新型填料，这种填料一般由金属制成，所以又叫金属环鞍形填料。
环鞍填料综合了环填料和鞍形填料的优点，其综合性能优于球环和阶梯环，是工业上应用最广泛的金属散装填料。
规整填料
规整填料是按均匀几何型式排列、在塔内整齐堆放的一类填料，具有比表面积大、压降小、流体分布均匀、传质传热效率高等优点，得到广泛的应用。
按几何结构可分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料等，工业上应用最多的规整填料是波纹填料，最早发展的是金属规整填料，其次是塑料规整填料、陶瓷规整填料、碳纤维规整填料。
金属规整填料有：孔板波纹填料、丝网波纹填料、孔板波纹填料、丝网波纹填料、环形波纹填料。
孔板波纹填料
孔板波纹填料是由金属片表面开有孔隙、波纹较大的规则排列的填料，具有阻力小、气液分布均匀、效率高、通量大、放大效应不明显等特点，适用于负压、常压及加压作业。
丝网波纹填料
丝网波纹填料是规整填料发展的一个重要里程碑。这种填料由成排排列的波纹丝网片组成，波纹片的倾斜角为30°或50°，相邻波纹片方向相反。在塔内装填时，上下两层塔盘填料相互交错，以90°叠放。具有效率高、压降低、通量大等优点。产品有BX型、CY型，常用于难分离和热敏体系的减压蒸馏、常压蒸馏和抽吸工艺。尽管其成本较高，但由于其性能优良，仍得到广泛的应用。
孔板波纹填料
冲孔波纹填料是先在倾斜的金属片上滚出密度较高的小刺孔，再压成波纹板片组装而成的规则填料。由于表面特殊的刺孔结构，提高了填料的润滑性能，并能保持金属丝网波纹填料的性能。
波纹填料的优点是结构紧凑，阻力小，传质效率高，处理量大，比表面积大。
但其缺点是不适合处理粘度大、易聚集或带有悬浮物的物料，装卸和清理较困难，成本较高。
填料选择
填料的选择包括确定填料的种类、规格、材质等，所选用的材料既要满足生产工艺要求，又要使设备的投资和运行成本低，因此选择合适的填料至关重要。
步骤 1：选择填料类型
填料类型的选择需要考虑到工艺分离的要求，通常从以下几个方面考虑。
传质效率
传质效率即分离效率，可用两种方法表示：一是按理论层数计算，表示为相当于每个理论层数的填料层高度，即HETP值；二是按传质速率计算，表示为相当于每个传质单元的填料层高度，即HTU值。在满足工艺的前提下，应选用传质效率高，即HETU（或HTU）值低的填料。对于常用的工业填料，HETU（或HTU）值可查阅有关手册或文献，或通过一些经验公式估算。
通量
在相同的液体负荷下，填料的泛点气速或气相动能因子越大，通量越大，塔的处理能力也越大。因此，在选择填料类型时，在保证较高的传质效率的前提下，应选用泛点气速或气相动能因子较高的填料。对于大多数常用的填料，它们的泛点气速或气相动能因子可以从有关手册或文献中查到，或者通过一些经验公式估算出来。
填料层压力降
填料层压降是填料的主要应用性能，填料层压降越低，则动力消耗越低，运行成本越低。填料压降的比较有两种方法，一是比较填料层单位高度压降ΔP/Z；二是比较填料层单位传质效率比压降ΔP/NT。填料层压降可用经验公式计算，也可用有关图表查得。
包装性能
填料的操作性能主要指操作弹性、抗结垢堵塞性能、抗热敏性。所选填料应具有较大的操作弹性，以保证在塔内气液负荷波动时能稳定操作。同时也应具有一定的抗结垢堵塞性能、抗热敏性，以适应塔内物料的变化和温度的变化。
此外，所选填料应易于安装、拆卸和维护。
第二步选择包装规格
通常，散装填料和规整填料的规格表达方式不同，选用方法也不同，下面我们一一介绍。
散装填料规格的选择
散装填料的规格通常是指填料的公称直径，工业塔中常用的散装填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等规格。对于同一种填料，直径越小，分离率越高，但阻力增大，通量下降，填料成本也会增加很多。当大尺寸填料用于小直径塔时，会造成液体分布不均匀，壁流严重，使塔的分离效率降低。因此，对塔直径与填料尺寸的比值要有一定的规定。
规整填料规格的选择
工业上常用的规整填料型号、规格的表示方法有多种，国内通常用比表面积来表示，主要有125、150、250、350、500、700等几种规格。对同一型号的规整填料而言，比表面积越大，传质效率越高，但阻力增大，通量下降，填料成本也明显增加。选用时应从分离要求、通量要求、场地条件、物料性质、设备投资、运行费用等方面综合考虑。
步骤3：选择填充材料
在工业上，填充材料分为三类：陶瓷，金属和塑料。
陶瓷填料
陶瓷填料具有良好的耐腐蚀性和耐热性，一般能耐除氢氟酸以外的各种常见有机酸和无机酸的腐蚀，对于强碱性介质可选用耐碱配方制成的耐碱陶瓷填料。
其性脆易折断，不宜在高冲击强度下使用。陶瓷填料价格便宜，表面润湿性好，工业上主要用于气体吸收、气体洗涤、液体萃取等工艺过程。
金属填料
金属填料可由多种材料制成。选择金属材料主要根据物料体系的腐蚀程度和金属材料的耐腐蚀性能。碳钢填料成本低，表面润湿性能好，对无腐蚀或低腐蚀物料应优先选用。不锈钢填料耐腐蚀性能强，一般能耐除Cl-以外的常见物料体系的腐蚀，但价格较贵。钛、特种合金钢等材料制成的填料价格极其昂贵，一般只在某些高腐蚀性物料体系中使用。金属填料仍是工业上主要的填料类型。
塑料填料
塑料填料的材质主要有聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）等，国内一般采用聚丙烯。塑料填料的耐腐蚀性好，能耐一般无机酸、碱及有机溶剂的腐蚀，耐温性也好，可在100℃下长期使用。聚丙烯填料在低温下冷脆，在0℃以下应慎用。可选用耐低温性好的聚氯乙烯填料。
塑料填料具有质轻、价格低廉、耐冲击、不易破碎等优点，多用于吸收、解吸、萃取、除尘等装置中。塑料填料的缺点是表面润湿性能较差，在一些特殊场合，需对表面进行处理，提高表面润湿性能。
概括
填料塔中填料的选择非常重要。填料塔可以采用同一类型、规格的填料，也可以采用同一类型、不同规格的填料。有的塔段可以采用规整填料，有的塔段可以采用散装填料。设计选用时应灵活掌握，按技术经济统一的原则选择塔料的规格。