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  • 萍鄉化工填料廠生產拉西環、鮑爾環、多面空心球填料,瓷球、陶瓷波紋填料、陶瓷規整填料
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    新型化工填料應用前景
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    新型化工填料應用前景

    2019-09-20      閱讀:
    填料塔作為傳質分離設備,涉及蒸餾、吸收、解吸、、結晶、吸附、過濾、蒸發、干燥、離子交換和膜分離等單元操作過程,屬于量大面廣的重要單元設備,被廣泛應用于石油煉制、氣加工、石油化工、精細化工、化肥、醫藥及等領域,并取得了顯著的經濟和社會效益。特別是在二十世紀七十年代初,能源危機的出現使得填料塔技術取得了長足進步。近三十年來,多種新型高效填料的研究,特別是波紋填料的開發成功及相關理論的發展,進一步擴大了填料塔技術更為廣泛的應用。美國學者Fair教授認為,近的十年內,以氣液接觸的填料塔正在逐步取代板式塔;規整填料作為低壓降下具有高傳質效率的裝置倍受青睞。在我國,隨著石油化工的不斷發展,傳質分離工程學的研究日益深入填料塔技術及其應用進入了一個嶄新的時期。

    填料塔作為氣液傳質設備的歷史早可以追溯到1836年用來水吸收氯化氫的操作以及1881年用于蒸餾過程。1907年以焦炭、石礫、卵石等無定形的物體開始了填料的發展;而1914年出現的陶瓷拉西環填料(RashingRing),引領著填料塔的發展進入了科學軌道,標志著填料塔的研究進入了科學發展的年代。盡管其實際生產效果仍沒有很大的提高,卻引起人們意識到塔內的氣液分布性能對填料塔操作的重要性。1937年斯特曼填料的出現,使填料和填料塔又進入了現代發展時期;20世紀30至50年代,由不同材質(包括金屬、陶瓷和塑料)的各類散堆填料(拉西環、鮑爾環)涌入市場。

    1950年后,填料塔進入了緩慢發展時期,在這個時期內,人們注意對塔內件的研究,力圖解決填料塔的氣液分布不均和“放大效應”的問題,但由于同時期的各種板式塔的出現及其成功應用,而使填料塔的應用和發展倍受冷落。而此時瑞士蘇爾壽公司開始對氣液分布不均的問題開始進行了深入研究,并成功的解決了規整填料的放大效應。1975年蘇爾壽公司成功開發了一批塑料絲網波紋填料,之后并詳細報道了其性能與應用,證明了它是一種現代新型高效吸收塔填料;此外,日本住友公司等也在經銷塑料絲網波紋填料;在我國,上;ぱ芯吭河1977年研制成功尼龍和聚丙烯塑料絲網波紋填料同時也測定了它們的性能,終在工業應用也取得了良好的效果。

    至80年代末,新型填料的研究一直處于十分活躍的狀態,尤其是各類新型規整填料不斷涌現市場,使得填料發展進入高峰期。整體來說,對于塔填料結構的研究又始終是沿著兩個方面進行的,即同步開發散堆填料與規整填料。填料的另一個研究方向是填料進行材質的更換,以適應不同下業應用要求,從而達到提高填料塔內氣液兩相間的傳質效率的日標,或是對填料進行適當的表面處理,以改變在填料表面的潤濕性能,提高液相在填料表面鋪展潤濕的有效面積。

    90年代蘇爾壽公司在ACHEMA’94 展覽會上推出了一種稱為高技術產品的Optiflow填料。這種填料的基本元件是壓有橫向紋理液流溝槽的菱形薄片,其中開有小孔,菱形片被搭成翼輪狀。由于該填料有很好的幾何結構形式和高度的對稱性,可以顯著提高填料的分離性能。

    工業上常見的填料主要分規整填料和散堆填料兩大類:
    規整填料:具有氣液分布均勻、傳質(傳熱)效率高、生產能力大等點。通常概念的規整填料,是由金屬(不銹鋼)薄板或絲網經特殊加工制作而成。雖有較高的傳質(傳熱)效率,但因其結構緊密孔隙小,一般應用在介質清潔的傳質(傳熱) 設備或溶液精餾、霧沫分離等化工塔器中,由于固體懸浮物會很快在填料層內淤積而堵塞通道,直接影響使用效果。所以不宜應用于脫硫、煤氣除塵、除焦等富含固體懸浮物的生產上。應用在脫硫、氣體除塵、洗滌、降溫或水處理領域的規整填料,常用木格子或塑料格子填料等。此類規整填料由于填料結構規整,填料的流體通道的形式和大小易于選擇調整,氣、液流動性能好,阻力小。但此類規整填料中木格子填料存在材料來源問題及易堵塔、笨重易破損、開車前漫長的脫脂等問題,已基本被陶汰;而塑料格柵填料存在比表面積小、凈化度難達標、結構不太合理、易變形坍塌等問題。

    散堆填料:有金屬、塑料或陶瓷制成的各種品種,具有比表面積大、結構簡單、造價低、裝卸清洗方便等特點。在脫硫、煤氣除塵洗滌降溫等生產領域較為廣泛應用的有拉西環、鮑爾環、階梯環、矩鞍環等多種類型的塑料或金屬散堆填料。陶瓷散堆填料則適用于在較高溫度工況的氣體除塵、洗滌、降溫或水處理領域。由于散堆填料裝填不規則,氣、液在填料層內是無序的流動,因此易產生氣、液的偏流和溝流現象。特別是當溶液中含有一定量的固體物、懸浮物時,易在填料層內淤積而堵塞填料通道,嚴重影響填料塔的傳質(傳熱)效率。散堆填料在生產運行過程中,存在阻力易、易偏流、易堵塔、生產周期短、清洗頻率高、填料易破碎等問題,使用效果也不很理想。近年來散堆填料的研究方向主要集中在以下幾個方面:
    ①  散堆填料的自規整化;
    ②  開發適用于新塔型的散堆填料;
    ③  填料功能復合化;
    ④  對填料表面加以改性以提高傳質效率;
    ⑤復合填料塔。
    從近些年的理論和工業開發來看,散堆填料的發展趨勢是朝空隙率和減少壓降、比表面積、改善潤濕性能以及功能多樣化的方向發展。
     
     新型工業填料舉例
     
    傳統的規整填料和散堆填料存在者一定問題,所以,近些年來許多新型填料得以開發。例如:蔡昌鳳等利用污泥為主要原料,采用燒結法研制陶粒填料,提出陶粒鋪設景觀水底,治理城市水體,并對其進行了可行性分析,陶粒對水中氨氮和總磷吸附容重分別為0.03~0.05 mg/g 和0.01~0.02 mg/g。
    1熊開生等通過添加親水性、生物親和性及磁性等物質對普通聚氯乙烯生物填料進行改性,研究表明改性PVC 生物填料的親水性、生物親和性有很大程度改善,完全可以用于各種類型生活污水的處理。
    2沈建沖研發的導流網格填料,,能廣泛應用在氣液相傳質(傳熱)、吸收、洗滌、降溫等化工過程,特別適合在生產過程中介質富含懸浮物、膠狀物、副鹽結晶物或固體顆粒等的填料塔器中使用。比表面積是格柵填料的2.9~3.0倍,是聚丙烯鮑爾環的1.04~2.05倍、是聚丙烯階梯環的1.35~2.11倍、是聚丙烯矩鞍環的0.95~1.07倍。
    3周芬等人將塑料填料用混凝土包裹,,制得新型混凝土改性親水性塑料填料,污水平均處理效率為30%,比普通塑料填料處理效率提高5% ~10%。
    4天津市天進新技術開發公司開發了高效廉價的板花規整填料,其80型(比表面積80m2/m3)的傳質效率與Mellapak 350Y型(比表面積 350 m2/m3)相當.[
    5]
    天津大學開發研制出了Zupak組片式波紋填料,與同型號的Mellapak相比,比表面積提高了10%左右,開孔率增加了30~40%,分離效率提高 10%以上,通量提高 20%以上,壓力降減少 30%左右.[5]天津市博隆科技開發公司開發了CHINAPAK規整填料,其綜合了金屬孔板波紋填料和金屬矩鞍環填料各自的點,克服了散堆填料易于溝流的缺點。
    [6]王霞通過研發一種新型的微生物固定化材料一多孔一金屬微孔復合填料,大的改善其對生活污水的脫氮除磷效果。
    [7]朱仁成采用包埋固定技術,將牛糞堆肥、水泥、珍珠巖、植物纖維等按比例混勻,通過平膜擠壓造粒技術生產出粒徑可控的圓柱狀復合填料,其復合填料負載有功能微生物,在較高進氣負荷和較短氣體停留時間條件下,復合填料對NOx的性能較后的復合填料具有一定的勢。
    [8]方勇開發了表面活性劑MCP改性的聚丙烯填料,傳質性能提高了20%左右。
    9我浙江工業大學的金順利開發了生物復合的聚丙烯填料。在污染物領域有較高應用前景。
    [10]CN1935332
    [11]公開的一種組合填料,將植物纖維或泡沫塑料嵌套在球形支撐架內,具有空隙率高、壓降小、微生物掛載量大等特點,對甲苯率高于聚氨酯泡沫和空心多面球。
     
     
    新型填料選擇考量標準
     
    散堆填料的結構、形狀及堆砌方式將影響流體在床層的流動和分布以及氣液接觸狀態, 因此認真研究填料的本體結構和它在填料層內的作用, 通過改進填料結構, 可以提高相接觸面積, 增加空隙率, 減小壓降, 從而達到氣液兩相在整個塔截面上的均勻分布, 使填料塔的性能得到改進。
    填料主要是用來擴大液相與氣相之間接觸面積和提高塔傳質效率和分離效率的重要塔內件設備。它提供塔內的氣一液兩相接觸進行傳質、傳熱的表面。其性能往往決定了塔器的應用,因此,對塔填料的研究一直十分活躍。填料塔結構較簡單、阻力小、裝置靈活,特別是新型填料的開發應用,顯著的提高了分離效率并基本解決了“放大效應”問題后,使得填料塔在工業應用上日益擴大。近年來新型填料研究比較活躍,各種填料不斷涌現。新型高效填料塔取代舊有填料及部分塔板,在技術改造中己取得顯著效果。目前新型填料的開發主要還是集中在通過填料宏觀結構化以及填料表面的微觀結構改變,以求達到改善填料的傳質效率的效果。
    填料塔裝填的填料種類通常需要考慮實際操作時的分離工藝要求,一般考慮以下幾個方面:
    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。
    即從傳質性能和流體力學兩個角度考量新型填料。
    填料的幾何特性數據主要包括比表面積、空隙率、填料等,是評價填料性能的基本參數;填料塔對填料材質的基本要求有:傳質效率高,要求填料能提供較大的氣液接觸面,即要求填料具有大的比表面積,同時填料的表面還要易于被液體潤濕,因為潤濕的表面才可能是氣液接觸表面,而氣液接觸的表面才是有效的比表面積,一般而言,填料的比表面積不等于填料的有效比表面積;填料具有較大的生產能力,氣體在填料塔中壓力降小,因此要求填料層的空隙率大,不易引起液體在填料表面的偏流和溝流?偨Y,即從傳質性能和流體力學兩個角度考量新型填料。此外,還應要求制備填料的材質能夠經久耐用,具有良好的耐腐蝕性和較長的使用壽命。以及較高的機械強度和必要的耐熱性,同時取材容易,價格便宜。
     
     
    填料應用前景展望
     
    隨著新型塔填料的相繼開發和應用,填料塔的點更顯突出,應用范圍日益擴大。在煉油、石油化工、精細化工、化肥、制藥和原子能工業部門,以及領域的應用已趨于成熟。填料塔尤其適用于真空蒸餾、常壓及中壓下的蒸餾,當然還有大氣量的兩相接觸過程(如氣體的吸收、冷卻等),但在高壓精餾塔中應用時要特別謹慎。人們正在對高壓精餾填料塔進行研究,企圖從填料塔的結構和操作方法上予以解決,例如有人提出填料層分段乳化操作或采用超重力場分離等。近年來在突破高壓精餾塔應用填料的局限性方面已取得了一些進展,其關鍵是弄清高壓(高液相負荷)對塔的處理能力和效率的影響,可利用淺床層和高性能塔構件(如氣體分布器、液體分布器及再分布器)。也有人建議開發適用于高壓蒸餾的組合式填料。
    填料應用的另一個新領域是空氣分離裝置。30年代以前的空分設備,主要是滿足焊接、切割用氧及化工用氮。由于現代鋼鐵、氮肥、化工及火箭等技術的發展,氧、氮及稀有氣體的用量迅速增加。國外一些大公司,如德國的Linde公司,美國的APCI公司(空氣制品與化學品公司)、英國的BOC公司(氧氣公司)和法國的空氣液化公司等,均已開始把填料塔應用于空分方面的研究,瑞士Sulzer公司作為填料生產廠商與上述公司積合作,已取得可喜成績?辗盅b置中規整填料的另一個用途是在粗氬塔中使用。過去的粗氬塔為篩板塔,無法得到
    氧含量小于2×10-6的純氬。改用填料塔,便可取消過去生產純氬產品時使用的下游工藝。
    在生物工程,環境工程領域填料也發揮著重要作用,良的生物填料同樣要求有強度高、空隙大、比表面積大,不堵塞等等。新型生物填料將具有以下特點:
    1)        通過對礦粉的固定、包埋,其營養成分可以緩慢而穩定的方式釋放,提高養分的利用率;
    2)        漿料水分蒸發干燥過程中,涂層體積收縮,表面出現無規則皺褶,形成適于微生物掛載的粗糙表面;
    3)        選擇惰性的網狀纖維骨架和耐水耐腐的高分子膠黏劑,可有效避免填料腐爛、解體及床層塌陷等問題;
    4)        網狀多孔結構可提供足夠高的空隙率和結構強度,減小氣流阻力。
    同時,近期出現的薄壁篩板填料[12]也是填料發展一大前景。薄密篩板填料是一種綜合了板式塔和填料塔兩者點而削減兩者缺點的傳質裝置。薄密篩板填料的工作原理既不同于板式塔中的篩板塔,也不同于填料中的實體填料和網體填料,它的氣液接觸方式類似于噴淋式換熱設備中的淋降板直接接觸冷凝器,只不過篩板間距更為緊密,篩板更薄,篩板的液層也更為淺薄。在淋降板式冷凝器中,由于液體在下落過程中是自由落體,是勻加速運動,因而液柱或液滴在空問分布是不均勻的:自上而下液柱由粗變細,變為液滴,液滴由密變疏,而薄密篩板填料的結構排布方式則充分地利用了液柱(或液滴)密布的空間。由于篩板排布較密,氣液兩相界面的更新也更為頻繁。
    綜合近期報道,填料未來的發展方向應該是結構簡單化,功能高效化。目標沿著理想填料發展。
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