水处理中填料的分类与选择

填料被广泛应用于化工的生产过程中。什么是填料？有哪些常见填料的类型？如何正确选择填料呢？

一、什么是填料？

填料泛指被填充于其他物体中的物料。

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。

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。

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。

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。

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。

二、填料有哪些种类？

1.拉西环填料

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。

2. 鲍尔环填料

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。

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。

3. 阶梯环填料

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。

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。

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。

4. 弧鞍填料

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。

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。

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。

5. 矩鞍填料

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。

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。

6. 金属环矩鞍填料

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。

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。

7. 球形填料

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。

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。

8. 规整填料

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。

① 格栅填料

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。

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。

② 波纹填料

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。

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。

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。

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。

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。

波纹填料的优点是结构紧凑，阻力小，传质效率高，处理能力大，比表面积大（常用的有125、150、250、350、500、700等几种）。

波纹填料的缺点是不适于处理粘度大、易聚合或有悬浮物的物料，且装卸、清理困难，造价高。

③ 脉冲填料

脉冲填料是由带缩颈的中空棱柱形个体，按一定方式拼装而成的一种规整填料。

脉冲填料组装后，会形成带缩颈的多孔棱形通道，其纵面流道交替收缩和扩大，气液两相通过时产生强烈的湍动。

在缩颈段，气速最高，湍动剧烈，从而强化传质。在扩大段，气速减到最小，实现两相的分离。流道收缩、扩大的交替重复，实现了“脉冲”传质过程。

脉冲填料的特点是处理量大，压降小，是真空精馏的理想填料。因其优良的液体分布性能使放大效应减少，故特别适用于大塔径的场合。

9. 四氟填料

聚四氟乙烯阀杆填料是以聚四氟乙烯细粉料为原料，采用全新的工艺加工而成的一种柔软制品。

白色，连续绳状，截面呈圆形。它具有高度的柔顺性，极好的填充性、自润滑性、低摩擦系数、耐腐蚀等性能。

优点：

① 装填方便快捷。装填时一般不必拆卸阀门，只需将绳状填料绕在阀杆上，推入填料函，上紧函盖帽，填料即被压成一个密实的整体。

② 密封性能优异。膨胀聚四氟乙烯独特的微观结构赋予该产品极佳的柔韧性和模塑性，使它能轻易地将填料函内部空隙，甚至阀杆、函体上的所有凹坑和沟槽填密，这也使腐蚀、磨损的旧阀门避免更换或修理。

③ 使用寿命长。因它长期保持的柔软塑性，使泄漏缺口随时被填塞，还因它不被腐蚀，不会老化，可保长期使用。

④ 阀门开闭灵活轻便。因为聚四氟乙烯具有最低的摩擦系数和优异的自润滑性。

⑤ 不污染管道中的流体。因为它洁白干净，不会因腐蚀老化而脱落，使它特别适用于医药、精细化工、食品等行业。

⑥ 规格通用性好，减少填料储存量，节约开支。只需备置几种粗细规格的阀杆填料，就能满足大多数阀门之需求。

一般选用能用手嵌入的最大号这种填料，但较细的 该种填料，也可用于大规格的阀门中，压紧后，也会塑变成型，得到密实的封填体。

10. 塑性填料

塑性填料是经模具压制成型的填料，使用时不需要像编结填料那样切断后盘成环状，而且是根据轴颈大小制成环形。塑性填料有棉状和积层两种形式。

① 绵状填料

绵状填料是把纤维、石墨、云母、金属粉（或金属鳞片）、油脂与弹性粘结剂相混合后，模压成环形，再在外层编结一层石棉纱（根据需要也可用金属丝）。

还有一种使用方式是将混合物直接放人填料腔，经压盖压紧后直接使用，由于填料没有固定尺寸，填料装填不当容易影响密封性能，所以该方法较少使用。

可以根据工作条件调节绵状填料中各种混合料的种类和配比，例如高压蒸汽密封加人铜粉、酸性介质密封加人铅粒或铅片、轴有振动时可加添较多的弹性良好的粘结剂等。

由于这种填料不含润滑剂，所以高压下其体积变化很小，可用于高速泵类和高压阀门密封。如加人固体润滑剂，则可以保证良好的自润滑性能，且结构致密，有助于提高密封性。另外，绵状填料有塑性流动性，还可以与金属填料组合使用。

② 积层填料

这种填料是在石棉布或帆布的表面上涂敷橡胶，经叠合或者卷绕后热压硫化成型，还可以内夹橡胶芯等软质填料或嵌人弹簧，几种积层填料的结构。

积层填料密封性良好，可用于120℃以下的低压蒸汽、水和氨液，主要用作往复运动的轴封和阀杆的密封，无接口的圈装积层填料还可以用作往复泵活塞环。由于积层填料中所含润滑剂不足，使用过程中需添加润滑剂。

三、如何选择填料？

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。

1.填料种类的选择

考虑分离工艺的要求，通常考虑以下几个方面：

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。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。

填料层的压降要低。

填料抗污堵性能强，拆装、检修方便。

2. 填料规格的选择

填料规格是指填料的公称尺寸或比表面积。

① 散装填料规格的选择

工业塔常用的散装填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等几种规格。

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。

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。

② 规整填料规格的选择

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。

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。

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。

3. 填料材质的选择

填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。

① 陶瓷填料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。

② 塑料填料

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。

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。

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。

③ 金属填料

金属填料可用多种材质制成，选择时主要考虑腐蚀问题。

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。

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。

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。

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。

总结：

选择填料时，对于某种特殊应用，填料的最佳标准是根据复合材料所期望达到的性能而定，必须考虑到下述基本原则：

1.填料在加工过程中必须保持其原有结构，并保持惰性、不溶性、热稳定性、不挥发性、无催化活性和低的吸附性。

2. 填料必须与基材能够相容，无腐蚀性。

3. 容易处理，堆积密度高，水分含量低，低尘，无毒性。

4. 必须易得，货源充足，价格适中，质量稳定。