填料泛指被填充于其他物體中的物料。在化學(xué)工程及污水處理中，填料指裝于填充塔內(nèi)的惰性固體物料，例如鮑爾環(huán)和拉西環(huán)等，其作用是增大氣-液的接觸面，使其相互強(qiáng)烈混合。在化工產(chǎn)品中，填料又稱填充劑，是指用以改善加工性能、制品力學(xué)性能并(或)降低成本的固體物料。在污水處理領(lǐng)域，主要用于接觸氧化工藝，微生物會(huì)在填料的表面進(jìn)行累積，以增大與污水的表面接觸，對(duì)污水進(jìn)行污水降解處理。
填料性能優(yōu)劣
主要取決于：①有較大的比表面積(m2/m3填料層);②液體在填料表面有較好的均勻分布性能;③氣流能在填料層中均勻分布;④調(diào)料具有較大的空隙率(m3/m3填料層)。另外，選擇填料時(shí)還應(yīng)考慮其機(jī)械強(qiáng)度、來(lái)源、制造及價(jià)格等因素。
填料作用
填料的作用機(jī)理：填料作為添加劑，主要是通過(guò)它占據(jù)體積發(fā)揮作用，由于填料的存在，基體材料的分子鏈就不能再占據(jù)原來(lái)的全部空間，使得相連的鏈段在某種程度上被固定化，并可能引起基體聚合物的取向。由于填料的尺寸穩(wěn)定性，在填充的聚合物中，聚合物界面區(qū)域內(nèi)的分子鏈運(yùn)動(dòng)受到限制，而使玻璃化溫度上升，熱變形溫度提高，收縮率降低，彈性模量、硬度、剛度、沖擊強(qiáng)度提高。
填料的作用：①降低成型制件的收縮率，提高制品的尺寸穩(wěn)定性、表面光潔度、平滑性以及平光性或無(wú)光性等;②樹脂粘度有效的調(diào)節(jié)劑;③可滿足不同性能要求，提高耐磨性、改善導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性等，大多數(shù)填料能提高材料沖擊強(qiáng)度及壓縮強(qiáng)度，但不能提高拉伸強(qiáng)度;④可提高顏料的著色效果;⑤某些填料具有*的光穩(wěn)定性和耐化學(xué)腐蝕性;⑥有增容作用，可降低成本，提高產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力。
填料選用準(zhǔn)則
對(duì)于某種特殊應(yīng)用，填料填料的標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)復(fù)合材料所期望達(dá)到的性能而定，但必須考慮到下述基本原則。
1、填料在加工過(guò)程中必須保持其原有結(jié)構(gòu)，并保持惰性、不溶性、熱穩(wěn)定性、不揮發(fā)性、無(wú)催化活性和低的吸附性。
2、填料必須與基材能夠相容，無(wú)腐蝕性。
3、容易處理，堆積密度高，水分含量低，低塵，無(wú)毒性。
4、必須易得，貨源充足，價(jià)格適中，質(zhì)量穩(wěn)定。
填料根據(jù)裝填方式的不同，可分為散裝填料和規(guī)整填料。
散裝填料
散裝填料是一個(gè)個(gè)具有一定幾何形狀和尺寸的顆粒體，一般以隨機(jī)的方式堆積在塔內(nèi)，又稱為亂堆填料或顆粒填料。散裝填料根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同，又可分為環(huán)形填料、鞍形填料、環(huán)鞍形填料及球形填料等?，F(xiàn)介紹幾種較為典型的散裝填料:
拉西環(huán)鮑爾環(huán)階梯環(huán)弧鞍填料 矩鞍填料 金屬環(huán)矩鞍 填料球形填料
拉西環(huán)
(1)拉西環(huán)填料于1914年由拉西(F. Rashching)發(fā)明，為外徑與高度相等的圓環(huán)。拉西環(huán)填料的氣液分布較差，傳質(zhì)效率低，阻力大，通量小，工業(yè)上已較少應(yīng)用。
鮑爾環(huán)
(2)鮑爾環(huán)填料是對(duì)拉西環(huán)的改進(jìn)，在拉西環(huán)的側(cè)壁上開出兩排長(zhǎng)方形的窗孔，被切開的環(huán)壁的一側(cè)仍與壁面相連，另一側(cè)向環(huán)內(nèi)彎曲，形成內(nèi)伸的舌葉，諸舌葉的側(cè)邊在環(huán)中心相搭。鮑爾環(huán)由于環(huán)壁開孔，大大提高了環(huán)內(nèi)空間及環(huán)內(nèi)表面的利用率，氣流阻力小，液體分布均勻。與拉西環(huán)相比，鮑爾環(huán)的氣體通量可增加50%以上，傳質(zhì)效率提高30%左右。鮑爾環(huán)是一種應(yīng)用較廣的填料[1] 。
階梯環(huán)
(3) 階梯環(huán)填料是對(duì)鮑爾環(huán)的改進(jìn)，與鮑爾環(huán)相比，階梯環(huán)高度減少了一半并在一端增加了一個(gè)錐形翻邊。由于高徑比減少，使得氣體繞填料外壁的平均路徑大為縮短，減少了氣體通過(guò)填料層的阻力。錐形翻邊不僅增加了填料的機(jī)械強(qiáng)度，而且使填料之間由線接觸為主變成以點(diǎn)接觸為主，這樣不但增加了填料間的空隙，同時(shí)成為液體沿填料表面流動(dòng)的匯集分散點(diǎn)，可以促進(jìn)液膜的表面更新，有利于傳質(zhì)效率的提高。階梯環(huán)的綜合性能優(yōu)于鮑爾環(huán)，成為所使用的環(huán)形填料中zui為優(yōu)良的一種。
弧鞍填料
(4) 弧鞍填料屬鞍形填料的一種，其形狀如同馬鞍，一般采用瓷質(zhì)材料制成?；“疤盍系奶攸c(diǎn)是表面全部敞開，不分內(nèi)外，液體在表面兩側(cè)均勻流動(dòng)，表面利用率高，流道呈弧形，流動(dòng)阻力小。其缺點(diǎn)是易發(fā)生套疊，致使一部分填料表面被重合，使傳質(zhì)效率降低?；“疤盍蠌?qiáng)度較差，容破碎，工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用不多。
矩鞍填料
(5) 矩鞍填料 將弧鞍填料兩端的弧形面改為矩形面，且兩面大小不等，即成為矩鞍填料。矩鞍填料堆積時(shí)不會(huì)套疊，液體分布較均勻。矩鞍填料一般采用瓷質(zhì)材料制成，其性能優(yōu)于拉西環(huán)。國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)應(yīng)用瓷拉西環(huán)的場(chǎng)合，均已被瓷矩鞍填料所取代。
金屬環(huán)矩鞍填料
(6) 金屬環(huán)矩鞍填料 環(huán)矩鞍填料(國(guó)外稱為Intalox)是兼顧環(huán)形和鞍形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而設(shè)計(jì)出的一種新型填料，該填料一般以金屬材質(zhì)制成，故又稱為金屬環(huán)矩鞍填料。環(huán)矩鞍填料將環(huán)形填料和鞍形填料兩者的優(yōu)點(diǎn)集于一體，其綜合性能優(yōu)于鮑爾環(huán)和階梯環(huán)，在散裝填料中應(yīng)用較多。
球形填料
(7) 球形填料一般采用塑料注塑而成，其結(jié)構(gòu)有多種。球形填料的特點(diǎn)是球體為空心，可以允許氣體、液體從其內(nèi)部通過(guò)。由于球體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，填料裝填密度均勻，不易產(chǎn)生空穴和架橋，所以氣液分散性能好。球形填料一般只適用于某些特定的場(chǎng)合，工程上應(yīng)用較少。
除上述幾種較典型的散裝填料外，不斷有構(gòu)型*的新型填料開發(fā)出來(lái)，如共軛環(huán)填料、海爾環(huán)填料、納特環(huán)填料等。工業(yè)上常用的散裝填料的特性數(shù)據(jù)可查有關(guān)手冊(cè)。
規(guī)整填料
規(guī)整填料是按一定的幾何構(gòu)形排列，整齊堆砌的填料。規(guī)整填料種類很多，根據(jù)其幾何結(jié)構(gòu)可分為格柵填料、波紋填料、脈沖填料等。
格柵填料
(1)格柵填料是以條狀單元體經(jīng)一定規(guī)則組合而成的，具有多種結(jié)構(gòu)形式。工業(yè)上應(yīng)用zui早的格柵填料為木格柵填料。應(yīng)用較為普遍的有格里奇格柵填料、網(wǎng)孔格柵填料、蜂窩格柵填料等，其中以格里奇格柵填料代表性。
格柵填料的比表面積較低，主要用于要求壓降小、負(fù)荷大及防堵等場(chǎng)合。
波紋填料
(2)波紋填料在工業(yè)上應(yīng)用的規(guī)整填料絕大部分為波紋填料，它是由許多波紋薄板組成的圓盤狀填料，波紋與塔軸的傾角有30°和45°兩種，組裝時(shí)相鄰兩波紋板反向靠疊。各盤填料垂直裝于塔內(nèi)，相鄰的兩盤填料間交錯(cuò)90°排列。
波紋填料按結(jié)構(gòu)可分為網(wǎng)波紋填料和板波紋填料兩大類，其材質(zhì)又有金屬、塑料和陶瓷等之分。
金屬絲網(wǎng)波紋填料是網(wǎng)波紋填料的主要形式，它是由金屬絲網(wǎng)制成的。金屬絲網(wǎng)波紋填料的壓降低，分離效率很高，特別適用于精密精餾及真空精餾裝置，為難分離物系、熱敏性物系的精餾提供了有效的手段。盡管其造價(jià)高，但因其性能優(yōu)良仍得到了廣泛的應(yīng)用。
金屬板波紋填料是板波紋填料的一種主要形式。該填料的波紋板片上沖壓有許多f5mm左右的小孔，可起到粗分配板片上的液體、加強(qiáng)橫向混合的作用。波紋板片上軋成細(xì)小溝紋，可起到細(xì)分配板片上的液體、增強(qiáng)表面潤(rùn)濕性能的作用。金屬孔板波紋填料強(qiáng)度高，耐腐蝕性強(qiáng)，特別適用于大直徑塔及氣液負(fù)荷較大的場(chǎng)合。
金屬壓延孔板波紋填料是另一種有代表性的板波紋填料。它與金屬孔板波紋填料的主要區(qū)別在于板片表面不是沖壓孔，而是刺孔，用輾軋方式在板片上輾出很密的孔徑為0.4～0.5mm小刺孔。其分離能力類似于網(wǎng)波紋填料，但抗堵能力比網(wǎng)波紋填料強(qiáng)，并且價(jià)格便宜，應(yīng)用較為廣泛。
波紋填料的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，阻力小，傳質(zhì)效率高，處理能力大，比表面積大(常用的有125、150、250、350、500、700等幾種)。波紋填料的缺點(diǎn)是不適于處理粘度大、易聚合或有懸浮物的物料，且裝卸、清理困難，造價(jià)高。
(3)脈沖填料脈沖填料是由帶縮頸的中空棱柱形個(gè)體，按一定方式拼裝而成的一種規(guī)整填料。脈沖填料組裝后，會(huì)形成帶縮頸的多孔棱形通道，其縱面流道交替收縮和擴(kuò)大，氣液兩相通過(guò)時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍動(dòng)。在縮頸段，氣速zui高，湍動(dòng)劇烈，從而強(qiáng)化傳質(zhì)。在擴(kuò)大段，氣速減到zui小，實(shí)現(xiàn)兩相的分離。流道收縮、擴(kuò)大的交替重復(fù)，實(shí)現(xiàn)了“脈沖”傳質(zhì)過(guò)程。
脈沖填料的特點(diǎn)是處理量大，壓降小，是真空精餾的理想填料。因其優(yōu)良的液體分布性能使放大效應(yīng)減少，故特別適用于大塔徑的場(chǎng)合。
四氟填料
聚四氟乙烯閥桿填料是以聚四氟乙烯細(xì)粉料為原料，采用全新的工藝加工而成的一種柔軟制品。白色，連續(xù)繩狀，截面呈圓形。它具有高度的柔順性，*的填充性、自潤(rùn)滑性、低摩擦系數(shù)、耐腐蝕等性能。技術(shù)參數(shù)：˙使用溫度 -260～+260 ˙使用壓力 <20MPa ˙適用介質(zhì) 除元素氟、熔融堿金屬以外的一切化學(xué)物質(zhì)。優(yōu)點(diǎn)：˙裝填方便快捷。裝填時(shí)一般不必拆卸閥門，只需將繩狀填料繞在閥桿上，推入填料函，上緊函蓋帽，填料即被壓成一個(gè)密實(shí)的整體。 ˙密封性能優(yōu)異。膨脹聚四氟乙烯*的微觀結(jié)構(gòu)賦予該產(chǎn)品的柔韌性和模塑性，使它能輕易地將填料函內(nèi)部空隙，甚至閥桿、函體上的所有凹坑和溝槽填密，這也使腐蝕、磨損的舊閥門避免更換或修理。 ˙使用壽命長(zhǎng)。因它長(zhǎng)期保持的柔軟塑性，使泄漏缺口隨時(shí)被填塞，還因它不被腐蝕，不會(huì)老化，可保長(zhǎng)期使用。˙閥門開閉靈活輕便。因?yàn)榫鬯姆蚁┚哂衵ui低的摩擦系數(shù)和優(yōu)異的自潤(rùn)滑性。 ˙不污染管道中的流體。因?yàn)樗鼭嵃赘蓛?，不?huì)因腐蝕老化而脫落，使它特別適用于醫(yī)藥、精細(xì)化工、食品等行業(yè)。˙規(guī)格通用性好，減少填料儲(chǔ)存量，節(jié)約開支。只需備置幾種粗細(xì)規(guī)格的閥桿填料，就能滿足大多數(shù)閥門之需求。一般選用能用手嵌入的zui大號(hào)這種填料，但較細(xì)的'該種填料，也可用于大規(guī)格的閥門中，壓緊后，也會(huì)塑變成型，得到密實(shí)的封填體。
塑性填料
塑性填料是經(jīng)模具壓制成型的填料，使用時(shí)不需要像編結(jié)填料那樣切斷后盤成環(huán)狀，而且是根據(jù)軸頸大小制成環(huán)形。塑性填料有棉狀和積層兩種形式。
(1)綿狀填料
綿狀填料是把纖維、石墨、云母、金屬粉(或金屬鱗片)、油脂與彈性粘結(jié)劑相混合后，模壓成環(huán)形，再在外層編結(jié)一層石棉紗(根據(jù)需要也可用金屬絲)。還有一種使用方式是將混合物直接放人填料腔，經(jīng)壓蓋壓緊后直接使用，由于填料沒有固定尺寸，填料裝填不當(dāng)容易影響密封性能所以該方法較少使用?？梢愿鶕?jù)工作條件調(diào)節(jié)綿狀填料中各種混合料的種類和配比，例如高壓蒸汽密封加人銅粉、酸性介質(zhì)密封加人鉛?；蜚U片、軸有振動(dòng)時(shí)可加添較多的彈性良好的粘結(jié)劑等。由于這種填料不含潤(rùn)滑劑，所以高壓下其體積變化很小，可用于高速泵類和高壓閥門密封。如加人固體潤(rùn)滑劑，則可以保證良好的自潤(rùn)滑性能，且結(jié)構(gòu)致密，有助于提高密封性。另外，綿狀填料有塑性流動(dòng)性，還可以與金屬填料組合使用。
(2)積層填料
這種填料是在石棉布或帆布的表面上涂敷橡膠，經(jīng)疊合或者卷繞后熱壓硫化成型，還可以內(nèi)夾橡膠芯等軟質(zhì)填料或嵌人彈簧，幾種積層填料的結(jié)構(gòu)。積層填料密封性良好，可用于120℃以下的低壓蒸汽、水和氨液，主要用作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的軸封和閥桿的密封，無(wú)接口的圈裝積層填料還可以用作往復(fù)泵活塞環(huán)。由于積層填料中所含潤(rùn)滑劑不足，使用過(guò)程中需添加潤(rùn)滑劑。
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