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    填料塔技術及應用現狀研究綜述
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    填料塔技術及應用現狀研究綜述

    2020-05-05      閱讀:
    填料塔作為一種氣液分離設備被廣泛應用于生物、環境、化學等領域,填料塔的內部構件以及操作流程是塔技術的發展關鍵,填料作為填料塔的核心部件,填料的性能直接決定填料塔的流體傳輸性能。從工業污水處理應用角度介紹多孔陶粒填料塔流體傳輸問題,側重敘述流體在填料塔中的壓降、液泛、持液量的實驗研究結果并將所得數據進行相應的分析和總結,干塔填料的壓阻與空塔氣速成反比,而濕塔填料的壓阻與空塔氣速成正比。以多孔陶粒填料在填料塔中的流動分布特性展開概述。目前,國內外已將大型高效的填料塔改進工作作為發展的方向,并且在填料塔的設備完善以及產品的質量、取得了的成就,填料塔良的特性將不斷被探索與開發,為今后填料塔的長足發展奠定了堅實的基礎。

    近年來隨著工業生產和城市現代化水平的發展,廢水排放日益增加,水中的重金屬含量超標。重金屬廢水處理為污水處理中的一項重要內容,含鉻廢水作為重金屬廢水中的一類污染物,其處理技術對于流體傳輸性能要求十分高。目前國內外對多孔陶粒填料塔流體傳輸性能的實驗研究,旨在強化操作與技術革新,本研究的目的是研究多孔陶粒填料塔流體傳輸性能,主要針對污水處理方面的實驗。通過對多孔陶粒填料塔中流體測試,分析出填料塔在流體流動過程中的良性能以及存在的主要問題,并深入分析其出現的原因,并借鑒國內外先進行業多孔陶粒填料塔流體傳輸性能研究的經驗,為多孔陶粒填料塔的發揮其良的特性以及地推進多孔陶粒填料塔的發展進程。為今后的的污水處理裝置的設計及其性能化提供中肯的建議和豐富的經驗。關于填料塔的工藝設計,要的工作是確定其直徑和高度,根據流體力學性能確定填料塔的直徑和高度。由于目前填料塔中塔填料的種類繁多,形狀各不相同,質地相差較大,因此構建起的填料層的模式錯綜復雜,但填料塔的操作流程較為簡單。填料塔中流體力學研究是整個填料塔研究的重中之重,即使國內外有許多非常好的研究成果,但是仍存在大量的問題,F階段確定填料塔直徑和高度的方式主要通過實驗研究和理論推算,并附加工業污水處理的實踐總結進行裝置的設計。

    1填料塔技術目前,填料塔中的填料種類在普遍情況下需考慮實際生產、生活操作中的基本要求,主要考慮如下幾個方面:傳輸效率要求高。規整填料用于大型塔時,其效率降低較小[1]。一般來說,散裝填料低于規整填料;先選擇氣相動能較高的填料;填料塔中填料層壓降低;填料機械強度高,填料塔便于清洗、安裝、拆卸。以上是根據流體力學和傳輸性能兩個方面綜合考慮多孔陶粒填料的特性。填料塔的內部構件是保證填料塔中的氣液接觸更加充分,塔內的溝流和壁流效應有所改善,壓降也可以很小,為了地發揮填料塔大生產效率的能力。Porter關于填料塔的壁流效應曾提出,對于小直徑的填料塔壁流量幾乎能占到總液體量的50%[2]。張志炳等[3]探索發現,對于某些填料的壁流量甚至能達到總液體的70%以上。實驗研究表明,填料塔壁流量的大小與填料塔的許多參數有關(填料的物性參數、塔徑、填料層高度、氣體流速等),這些參數相互作用從而影響填料塔的壁流量。填料塔的流體力學性能指標在普遍情況下有壓降、液泛以及持液量等參數。掌握氣液兩相流體在填料塔中的流動規律能夠進一步弄懂填料塔的流體力學性能。所以,研究填料塔中流體的流動分布規律是推進填料塔技術發展的基石。本文從工業污水處理應用角度介紹填料塔的發展概況,詳細敘述了多孔陶粒介質流體傳輸性能實驗的研究,側重總結重點結論,并對所得結論研究、分析、探討,從而為工業污水處理以及對填料塔設計和操作提供了更加穩定、準確的實驗數據和寶貴的建議。填料塔運行操作時,氣體從塔的底部自下而上經過多孔陶粒的空隙,液體從填料塔設備頂部流下進入填料層并沿陶粒填料表面流動,在此期間氣液流動形成兩相接觸面,進行流體力學傳輸。氣體和液體相互穿插,流動能力、兩相接觸面的大小、傳輸速率的快慢程度與多孔陶粒的幾何形狀以及物性參數有著密不可分的關系。對于以上問題的出現,近年來相關領域的與學者一直探索傳輸性能良并且成本低廉的塔填料。填料塔在大多數的情況下可以體現出其良的特性,在操作過程中需要高精度的分離情況下,由于新型填料的發現可以保持填料塔高效傳輸的硬性指標要求,所以可以采用新型的填料來降低填料塔的高度,以減少設備的生產運行中占用大量面積的問題;對于具有腐蝕性的氣液流體傳輸時,可以采用陶;蛘咂渌墙饘偎盍系奶盍纤O備;其次對于一些容易出現泡沫的液體傳輸時填料塔為合適,主要是由于填料塔氣體的流動方式不是以氣泡形式通過液相,可以很大程度上避免填料中出現泡沫的危險,除此以外,填料也是阻隔氣泡形成的一道屏障。

    2填料的幾何特性參數多孔陶粒介質填料采用良的高鋁釩土經高壓使其破碎、高溫煅燒后制成的,大多數情況下主要是充當填料塔中的濾料的角色,多孔陶粒介質陶粒普遍應用于工業以及城市污水的處理領域及行業。據學者提供的相關數據[6]對2003—2011年污泥資源合理化利用情況進行了分析,焚燒發電占41%。污泥農用制肥占30%,污泥制水泥占11%,污泥制沼氣占7%,污泥制磚占11%。填料的結構對填料流體力學性能的影響至今重要,多孔陶粒的表面光滑、相對過濾的阻力較小、在水力沖擊下耐磨損、不易破損、容易、無特殊的操作場合基本不需要更換。多孔陶粒介質表面具有堅硬的保護殼,這種保護殼基本呈現陶質或者釉質,其特殊的構造決定著多孔陶粒介質保氣的用途,因此多孔陶粒能夠擁有很高的機械強度,普遍情況下應用于填料塔的流體傳輸性能研究。陶粒的理化性質主要受材料化學成分的影響,根據陶粒在制備過程中的側重的作用差異主要分為以下三類[7];成陶成分、助熔成分、產氣成分。而比表面積、孔隙率、堆積密度等,是衡量填料幾何性能的基本參數。填料塔對于填料的基本要求有:傳輸效率高。能夠創造較大的氣液兩相流接觸面,此時填料需滿足較大的比表面積,填料的表面容易被潤濕,氣體與液體接觸的表面必須是填料被潤濕的表面,并且氣體與液體的接觸面才是有效比表面積。氣體在填料塔中的壓降小也是一個關鍵因素,所以對于填料層中大孔隙率的設置目的,從一定程度上改善了液體的不均勻流動。

    3填料塔的應用現狀

    3.1填料塔在污水處理中的應用
    關于多孔陶粒填料與規整填料的的探究,我國許多學者都進行過詳細的比較說明。近年來一些新型高效散堆填料的出現以及一些行業的成功應用,如行業從煙氣中HCl和SO2等,說明散堆填料在某些領域得到新的發展,F階段污水處理中采用的生物化學方式有兩種:活性污泥法;生物膜法。目前生物填料塔作為在生物法中主要處理污水的運行設備,在大多數的實際操作中混合其他的方法一塊運行,李順義等[6]采用負載功能微生物復合填料氮氧化物實驗,實驗驗證了復合填料對于氮氧化物的有顯著的作用,周婧淳等[7]在研究農用栽培基質中,利用自制的陶粒作為底料,實驗研究表明,合理的陶粒廢料使用量可以大程度上提高農作物的產量,與此同時了植株的抗病、抗倒、抗蟲害的良特性。劉軍等[8]提及了城市污水處理中應用到的生物填料塔,詳細敘述了生物填料塔中馴養的生物量越大,其填料塔的抗沖擊能力就越高;瘜W需氧量、生物需氧量的率明顯提高,大程度發揮了生物填料塔中培養菌氧化降解物的作用,在此期間的運作沒有污泥的膨脹現象。賴萬東等[9]探究填料塔應用于餐飲行業污水處理的現狀,實驗中采用自行篩選馴化的培養菌,實驗結果表明,進水含鉻離子的化學需氧量950mg/L,實驗菌液維持pH值為5.5~8.0時,含鉻化學需氧量率高達80.5%,出水的含鉻化學需氧量的質量濃度為150mg/L。針對荊門石油化工廠應用生物填料塔處理石油污水的實踐操作中,材料應用改性的填料,趙玉華等[10]在實驗過程中總結出石油污水中的化學需氧量質量濃度維持在250~300mg/L,石油中廢水的率在20%~30%,其率占總率的22%。氨氮的率維持在15%左右,占總量的20%左右,經過測定和相關的實驗數據分析,填料的改性十分可觀。鄒華生等[11]探究曝氣生物填料塔降解氯苯的性能特性參數,實驗在合理的條件下證實氯苯的降解速率明顯提高。天津大學化學工程研究所研發了一種填料復合塔。此塔板綜合了新型垂直式篩板氣液并流傳質的良特性,與此同時吸納了規整填料塔填料傳輸效率高、填料層壓降小的特點,從而構成填料塔中氣液并流流動的過程,并保存了垂直篩板水平泡沫夾帶小的勢。經實驗數據分析,復合塔板相比垂直篩板具有傳輸效率高、壓降小以及操作范圍寬,泡沫夾帶相對較平衡,并且此技術已經申請為[12]。熊開生等[13]利用改性的聚氯乙烯生物填料檢驗PVC生物填料的親水性,實驗結論表明改性后的PVC生物填料對于生物的親水性和親和性有大的促進作用,并且可以應用城市生活污水處理。

    3.2填料塔在廢氣處理中的應用
    孫佩石等[14]進行了生物填料塔凈化工業廢氣中甲苯的實驗研究,實驗采用低濃度的甲苯為研究對象,分別探究了陶粒、瓷環、塑料環以及不銹鋼環的性能參數,實驗數據表明:陶粒是一種較好的處理工業廢氣填料塔的理想填料;
    并且對于四種填料的綜合性能進行了比較:陶粒于瓷環、不銹鋼環、塑料環。目前我國對于高濃度工業廢氣的處理方式較多,例如吸附法、吸收法。但是對于低濃度的廢氣處理方式較單一且有更多的技術瓶頸,相對來說處理難度較大,也是世界處理三廢中的技術難題。生物法為處理工業低濃度廢氣帶來了福音,也是目前處理廢氣領域的一項新型技術,在國內外已經受到越來越廣泛的關注與應用。麥穗海等[15]關于污水廠泵中利用填料塔處理H2S氣體的實驗,得出填料塔對于有害氣體的去法完全可行,并且在一定程度下提高相應的實驗條件可以加速H2S的。對于填料塔的研究國外已經擁有相當成熟的技術,生物填料塔中的填料作為整個設備的核心,經過一個世紀時間的積累沉淀,生物填料塔技術突飛猛進,近半個世紀,國外的許多學者對于生物填料塔高濃度的傳輸效率以及降解速率提高方面進行了深入的研究與探索。世界各地對水質標準要求一直在提高,面對新的水處理要求和挑戰,新工藝的發現讓這些成熟的生物膜反應器類型迎來了新的機遇。

    4填料塔的內部構件

    填料塔的內部構件主要有填料的承托層、液體噴淋裝置、密封裝置等。填料塔內部構件設計的合理性以及選型的準確性和正確性,對于保障填料塔正常操作運行提供了穩固的平臺。

    4.1承托層填料塔承托層裝置是安裝在填料層的底部,塔發揮著填料從承托層上落下;承托層支撐這整個填料塔中填料的重量;承托層上保證一定的開孔比,便于氣體和液體能夠順利的通過。承托層需要保證相對高的強度以及剛度要求,并且設置承托層需要滿足結構簡單,組裝方便,材料的耐腐蝕性要強。承托層的選取主要考慮塔的直徑、填料的特性、材質、氣流的速率等。塔密封裝置設置于塔體的頂部,目的是塔上方雜物的落入,避免其他微生物對塔中反應的影響,其次也很好地保證填料塔運行的穩定性和暢通性。

    4.2液體噴淋裝置液體噴淋裝置設置在填料層的上面。從開始的壓力噴淋到如今良性能的槽式液體噴淋器,液體分布更加均勻,結構也越來越精細化。一方面充當填料層的壓緊裝置,填料由于氣流流速過大而沖出塔體,避免填料層的松動而影響實驗的后續工作的發生;另一方面將事先注入的液體以及回流的液體均勻噴淋在填料的表面,從而構成原始的液體分布,液體噴淋裝置常設置相應的開孔系數以此保證氣體和液體能自由通過。填料塔作為氣液兩相逆向流傳輸的重要設備,其結構和安裝較簡單。填料塔的底部設置有一定開孔比的承托層以支持填料塔中的填料,它的作用是允許氣體與液體通過。承托層上面的填料有亂堆與整砌兩種形式。填料層的上方設有一定開孔比的槽式噴淋板,根據安裝的差異分為三種:全可拆式、局部可拆式、全焊接式。其作用是使得液體均勻地噴淋在填料上。

    5結論
    隨著生產水平的不斷提高,生產逐步向大型化發展,近幾年填料塔的直徑已經由原來的幾毫米到如今超過1m,填料塔規格的大幅提升打破了填料塔只適用于小直徑尺寸的舊觀點。對此,相關領域的學者著力研究填料塔的放大規律,并且更加側重于填料流體傳輸性能和氣液兩相分布的研究。起初學者對于新型填料的開發十分熱忱,相繼開發了許多新型填料,如:拉西環、鮑爾環、階梯環、矩鞍型填料。近幾年來,研究學者更青睞于液體噴淋裝置的布置以及氣液分布器的分布的研究與開發,因此對于填料塔大尺寸的實現提供了先決條件,相關實驗數據表明,直徑較大填料塔的氣、液兩相通透性以及流體傳輸性能與填料層的堆積高度無關,并且實驗驗證較大直徑的填料塔只要滿足液體均勻流動,即可符合流體的流動分布不受填料層高度限制的說法,填料塔的發展為新型填料市場的開拓提供了一個得天獨厚的條件,更進一步的探索與革新拉開帷幕。
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