新型填料開發(fā)與應(yīng)用

1、化工傳質(zhì)與分離過程讀書報告學(xué) 院 專 業(yè) 年 級 姓 名 指導(dǎo)教師 2014 年 12 月 22日化工傳質(zhì)與分離過程讀書報告題目：對一些新型工業(yè)填料開發(fā)與應(yīng)用的簡述學(xué)生姓名 學(xué)院名稱 專 業(yè) 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 摘 要填料塔是廣泛應(yīng)用于化學(xué)工程、環(huán)境工程、生物工程等行業(yè)工業(yè)生產(chǎn)中的一種氣液分離設(shè)備，填料作為填料塔的核心構(gòu)件，其性能對填料塔的操作性能及應(yīng)用范圍有極大的影響。填料塔常用的填料主要有：以塑料、金屬或陶瓷為材質(zhì)的拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、階梯環(huán)、矩鞍環(huán)等散堆填料；也有以松木為材質(zhì)的格柵填料（俗稱木格子）或以金屬（或塑料）為材質(zhì)的板波紋填料等規(guī)整填料等等。隨著生產(chǎn)力和科技水平進(jìn)步，越來越多的新型工業(yè)

2、填料出現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中。本文總結(jié)了近幾年報道的多種不同類型新型工業(yè)填料，并力求較為詳盡的列舉各類新型填料，比較其優(yōu)劣勢，在此基礎(chǔ)上，對未來新型工業(yè)填料發(fā)展提出展望。關(guān)鍵詞： 新型工業(yè)填料 工業(yè)生產(chǎn) 總結(jié) 未來發(fā)展 ABSTRACTPacked column is widely used in chemical engineering, environmental engineering, biological engineering and other industries in industrial production of a gas-liquid separation equipment

3、, packing as a core member of the packed column, the performance of the operating performance and application packed tower has great affected. Commonly used packed tower packing are: plastic, metal or ceramic material Raschig rings, Pall rings, ladder ring, saddle ring and other random packings; als

4、o pine for grill filler material (commonly known as the wooden lattice) or metal (or plastic) plates for packing material and other structured packing and so on. With productivity and technology advances, more and more new industrial packing appeared in industrial production.This article summarizes

5、recent years reported a variety of different types of new industrial packing, and seeks a more detailed list of new types of packing, compare their advantages and disadvantages, on this basis, the future development of proposed new industrial packing prospects.Keywords: new industrial packing indust

6、rial production summary for future development化工傳質(zhì)與分離過程讀書報告目 錄背景 1新型工業(yè)填料舉例 2新型填料選擇考量標(biāo)準(zhǔn) 3填料應(yīng)用前景展望 4參考文獻(xiàn)6背景填料塔作為傳質(zhì)分離設(shè)備，涉及蒸餾、吸收、解吸、萃取、結(jié)晶、吸附、過濾、蒸發(fā)、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(shè)備，被廣泛應(yīng)用于石油煉制、天然氣加工、石油化工、精細(xì)化工、化肥、醫(yī)藥及環(huán)保等領(lǐng)域，并取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益。特別是在二十世紀(jì)七十年代初，能源危機的出現(xiàn)使得填料塔技術(shù)取得了長足進(jìn)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(fā)成功及相關(guān)理

7、論的發(fā)展，進(jìn)一步擴大了填料塔技術(shù)更為廣泛的應(yīng)用。美國著名學(xué)者Fair教授認(rèn)為，最近的十年內(nèi)，以氣液接觸的填料塔正在逐步取代板式塔；規(guī)整填料作為低壓降下具有高傳質(zhì)效率的裝置倍受青睞。在我國，隨著石油化工的不斷發(fā)展，傳質(zhì)分離工程學(xué)的研究日益深入填料塔技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)入了一個嶄新的時期。填料塔作為氣液傳質(zhì)設(shè)備的歷史最早可以追溯到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(fā)展;而1914年出現(xiàn)的陶瓷拉西環(huán)填料(RashingRing),引領(lǐng)著填料塔的發(fā)展進(jìn)入了科學(xué)軌道,標(biāo)志著填料塔的研究進(jìn)入了科學(xué)發(fā)展的年代。盡管其實際生產(chǎn)效果仍沒有

8、很大的提高,卻引起人們意識到塔內(nèi)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(xiàn),使填料和填料塔又進(jìn)入了現(xiàn)代發(fā)展時期;20世紀(jì)30至50年代,由不同材質(zhì)(包括金屬、陶瓷和塑料)的各類散堆填料(拉西環(huán)、鮑爾環(huán))涌入市場。1950年后,填料塔進(jìn)入了緩慢發(fā)展時期,在這個時期內(nèi),人們注意對塔內(nèi)件的研究,力圖解決填料塔的氣液分布不均和“放大效應(yīng)”的問題,但由于同時期的各種板式塔的出現(xiàn)及其成功應(yīng)用,而使填料塔的應(yīng)用和發(fā)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(jìn)行了深入研究,并成功的解決了規(guī)整填料的放大效應(yīng)。1975年蘇爾壽公司成功開發(fā)了一批塑料絲網(wǎng)波紋填料,之后并詳細(xì)報道

9、了其性能與應(yīng)用,證明了它是一種現(xiàn)代新型高效吸收塔填料;此外,日本住友公司等也在經(jīng)銷塑料絲網(wǎng)波紋填料;在我國,上?；ぱ芯吭河?977年研制成功尼龍和聚丙烯塑料絲網(wǎng)波紋填料同時也測定了它們的性能,最終在工業(yè)應(yīng)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(tài),尤其是各類新型規(guī)整填料不斷涌現(xiàn)市場,使得填料發(fā)展進(jìn)入高峰期。整體來說,對于塔填料結(jié)構(gòu)的研究又始終是沿著兩個方面進(jìn)行的,即同步開發(fā)散堆填料與規(guī)整填料。填料的另一個研究方向是填料進(jìn)行材質(zhì)的更換,以適應(yīng)不同下業(yè)應(yīng)用要求,從而達(dá)到提高填料塔內(nèi)氣液兩相間的傳質(zhì)效率的日標(biāo),或是對填料進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?以改變在填料表面的潤濕性能,

10、提高液相在填料表面鋪展?jié)櫇竦挠行娣e。90年代蘇爾壽公司在ACHEMA94 展覽會上推出了一種稱為高技術(shù)產(chǎn)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(jié)構(gòu)形式和高度的對稱性，可以顯著提高填料的分離性能。工業(yè)上常見的填料主要分規(guī)整填料和散堆填料兩大類：規(guī)整填料：具有氣液分布均勻、傳質(zhì)（傳熱）效率高、生產(chǎn)能力大等優(yōu)點。通常概念的規(guī)整填料，是由金屬（不銹鋼）薄板或絲網(wǎng)經(jīng)特殊加工制作而成。雖有較高的傳質(zhì)（傳熱）效率，但因其結(jié)構(gòu)緊密孔隙小，一般應(yīng)用在介質(zhì)清潔的傳質(zhì)（傳熱） 設(shè)備或溶液精餾、霧沫分離等化工塔器中，由于

11、固體懸浮物會很快在填料層內(nèi)淤積而堵塞通道，直接影響使用效果。所以不宜應(yīng)用于脫硫、煤氣除塵、除焦等富含固體懸浮物的生產(chǎn)上。應(yīng)用在脫硫、氣體除塵、洗滌、降溫或水處理領(lǐng)域的規(guī)整填料，常用木格子或塑料格子填料等。此類規(guī)整填料由于填料結(jié)構(gòu)規(guī)整，填料的流體通道的形式和大小易于選擇調(diào)整，氣、液流動性能好，阻力小。但此類規(guī)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(dá)標(biāo)、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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

12、等生產(chǎn)領(lǐng)域較為廣泛應(yīng)用的有拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、階梯環(huán)、矩鞍環(huán)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(lǐng)域。由于散堆填料裝填不規(guī)則，氣、液在填料層內(nèi)是無序的流動，因此易產(chǎn)生氣、液的偏流和溝流現(xiàn)象。特別是當(dāng)溶液中含有一定量的固體物、懸浮物時，易在填料層內(nèi)淤積而堵塞填料通道，嚴(yán)重影響填料塔的傳質(zhì)（傳熱）效率。散堆填料在生產(chǎn)運行過程中，存在阻力易增大、易偏流、易堵塔、生產(chǎn)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： 散堆填料的自規(guī)整化； 開發(fā)適用于新塔型的散堆填料； 填料功能復(fù)合化； 對填

13、料表面加以改性以提高傳質(zhì)效率；復(fù)合填料塔。從近些年的理論和工業(yè)開發(fā)來看，散堆填料的發(fā)展趨勢是朝增大空隙率和減少壓降、增大比表面積、改善潤濕性能以及功能多樣化的方向發(fā)展。新型工業(yè)填料舉例傳統(tǒng)的規(guī)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(fā)。例如：蔡昌鳳等利用污泥為主要原料，采用燒結(jié)法研制陶粒填料，提出陶粒鋪設(shè)景觀水底，治理城市水體，并對其進(jìn)行了可行性分析，陶粒對水中氨氮和總磷吸附容重分別為0.030.05 mg/g 和0.010.02 mg/g?！?】熊開生等通過添加親水性、生物親和性及磁性等物質(zhì)對普通聚氯乙烯生物填料進(jìn)行改性，研究表明改性PVC 生物填料的親水性、生物親和

14、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(fā)的導(dǎo)流網(wǎng)格填料，能廣泛應(yīng)用在氣液相傳質(zhì)（傳熱）、吸收、洗滌、降溫等化工過程，特別適合在生產(chǎn)過程中介質(zhì)富含懸浮物、膠狀物、副鹽結(jié)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2.93.0倍，是聚丙烯鮑爾環(huán)的1.042.05倍、是聚丙烯階梯環(huán)的1.352.11倍、是聚丙烯矩鞍環(huán)的0.951.07倍?！?】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(jìn)新技術(shù)開發(fā)公司開發(fā)了高效廉價的板花規(guī)整填料，其80型（比表面積80m2/

15、m3）的傳質(zhì)效率與Mellapak 350Y型（比表面積 350 m2/m3）相當(dāng).5 天津大學(xué)開發(fā)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3040，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(fā)公司開發(fā)了CHINAPAK規(guī)整填料，其綜合了金屬孔板波紋填料和金屬矩鞍環(huán)填料各自的優(yōu)點，克服了散堆填料易于溝流的缺點。6王霞通過研發(fā)一種新型的微生物固定化材料一有機多孔一金屬微孔復(fù)合填料，極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(shù),將牛糞堆肥、水泥、珍珠巖、植物纖維等按比例混勻,通

16、過平膜擠壓造粒技術(shù)生產(chǎn)出粒徑可控的圓柱狀復(fù)合填料，其復(fù)合填料負(fù)載有功能微生物，在較高進(jìn)氣負(fù)荷和較短氣體停留時間條件下,復(fù)合填料對NOx的去除性能較滅菌后的復(fù)合填料具有一定的優(yōu)勢。8方勇開發(fā)了表面活性劑MCP改性的聚丙烯填料，傳質(zhì)性能提高了20%左右?！?】我浙江工業(yè)大學(xué)的金順利開發(fā)了生物復(fù)合的聚丙烯填料。在污染物去除領(lǐng)域有較高應(yīng)用前景。10專利CN193533211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(nèi)，具有空隙率高、壓降小、微生物掛載量大等特點，對甲苯去除率高于聚氨酯泡沫和空心多面球。新型填料選擇考量標(biāo)準(zhǔn)散堆填料的結(jié)構(gòu)、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

17、觸狀態(tài), 因此認(rèn)真研究填料的本體結(jié)構(gòu)和它在填料層內(nèi)的作用, 通過改進(jìn)填料結(jié)構(gòu), 可以提高相接觸面積, 增加空隙率, 減小壓降, 從而達(dá)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(jìn)。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(zhì)效率和分離效率的重要塔內(nèi)件設(shè)備。它提供塔內(nèi)的氣一液兩相接觸進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱的表面。其性能往往決定了塔器的應(yīng)用,因此,對塔填料的研究一直十分活躍。填料塔結(jié)構(gòu)較簡單、阻力小、裝置靈活,特別是新型填料的開發(fā)應(yīng)用,顯著的提高了分離效率并基本解決了“放大效應(yīng)”問題后,使得填料塔在工業(yè)應(yīng)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(xiàn)。新型高效填料塔取代

18、舊有填料及部分塔板,在技術(shù)改造中己取得顯著效果。目前新型填料的開發(fā)主要還是集中在通過填料宏觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及填料表面的微觀結(jié)構(gòu)改變,以求達(dá)到改善填料的傳質(zhì)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(zhì)效率要高，一般而言,規(guī)整填料的傳質(zhì)效率高于散裝填料；2. 通量要大,在具有較高傳質(zhì)效率的前提下，應(yīng)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。即從傳質(zhì)性能和流體力學(xué)兩個角度考量新型填料。填料的幾何特性數(shù)據(jù)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(shù);填料塔對填料材質(zhì)的

19、基本要求有:傳質(zhì)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(chǎn)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(jié)，即從傳質(zhì)性能和流體力學(xué)兩個角度考量新型填料。此外，還應(yīng)要求制備填料的材質(zhì)能夠經(jīng)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(yīng)用前景展望隨著新型塔填料的相繼開發(fā)和應(yīng)用，填料塔的優(yōu)點更顯

20、突出，應(yīng)用范圍日益擴大。在煉油、石油化工、精細(xì)化工、化肥、制藥和原子能工業(yè)部門，以及環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)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(dāng)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(yīng)用時要特別謹(jǐn)慎。人們正在對高壓精餾填料塔進(jìn)行研究，企圖從填料塔的結(jié)構(gòu)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(yīng)用填料的局限性方面已取得了一些進(jìn)展，其關(guān)鍵是徹底弄清高壓(高液相負(fù)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(gòu)件(如氣體分布器、液體分布器及再分布器)。也有人建議開發(fā)適用于高壓蒸餾的組合式填料。

21、填料應(yīng)用的另一個新領(lǐng)域是空氣分離裝置。30年代以前的空分設(shè)備，主要是滿足焊接、切割用氧及化工用氮。由于現(xiàn)代鋼鐵、氮肥、化工及火箭等技術(shù)的發(fā)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(xué)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(yīng)用于空分方面的研究，瑞士Sulzer公司作為填料生產(chǎn)廠商與上述公司積極合作，已取得可喜成績。空分裝置中規(guī)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(chǎn)純氬產(chǎn)品時使用的下游工藝。在生物工

22、程，環(huán)境工程領(lǐng)域填料也發(fā)揮著重要作用，優(yōu)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) 通過對有機礦粉的固定、包埋，其營養(yǎng)成分可以緩慢而穩(wěn)定的方式釋放，提高養(yǎng)分的利用率；2) 漿料水分蒸發(fā)干燥過程中，涂層體積收縮，表面出現(xiàn)無規(guī)則皺褶，形成適于微生物掛載的粗糙表面； 3) 選擇惰性的網(wǎng)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(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)可提供足夠高的空隙率和結(jié)構(gòu)強度，減小氣流阻力。同時，近期出現(xiàn)的薄壁篩板填料12也是填料發(fā)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優(yōu)點而削減兩者缺點的傳質(zhì)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(wǎng)體填料，它的氣液接觸方式類似于噴淋式換熱設(shè)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，篩板之上的液層也更為淺薄。在淋降板式冷