什么是填料？

【專家解說】：填料 tiánliào [filling，stuffing] 可作填充物的東西 【化工】 packing，filler 泛指被填充于其他物體中的物料。在化學(xué)工程中，填料(packing)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(filler)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。其中可顯著提高制品強(qiáng)度的填料，如長纖維和晶須等常專稱增強(qiáng)材料，炭黑稱補(bǔ)強(qiáng)填充劑。藥品片劑、化妝品和去垢劑中常加入固體物料和碳酸鈣等作填充劑，但其目的是調(diào)節(jié)劑量和濃度而不是改善性能，所以應(yīng)稱稀釋劑。塑料增塑劑、橡膠充油以及紡絲油劑等，雖可改善性能，也能影響成本，但習(xí)慣上把這些液態(tài)物料視為加工助劑。 在高分子化工中，填料（填充劑）是用量最大的添加劑，幾乎所有的塑料(包括熱塑性和熱固性塑料)、天然橡膠和涂料都使用大量填料。例如，制造塑料時(shí)加入木粉、陶土或碳酸鈣等，不僅能改善制品力學(xué)性能，增加硬度，而且還可降低成本；用石墨、磁粉或云母作填料，可提高塑料的導(dǎo)電、通磁和耐熱性；橡膠中加入炭黑或二氧化硅（白炭黑）可顯著提高制品的物性；紡絲液中加入鈦白粉（二氧化鈦）可以遮光和染色。在涂料工業(yè)中常加入白色或帶色填料（如鈦白粉、滑石粉、碳酸鈣、硫酸鋇等）以改善涂料的光學(xué)、物理和化學(xué)性能，這類用途的填料（填充劑）稱為體質(zhì)顏料或展色料。 [編輯本段]填料性能的優(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、來源、制造及價(jià)格等因素。 填料的種類 填料的種類很多，根據(jù)裝填方式的不同，可分為散裝填料和規(guī)整填料。 一、散裝填料 散裝填料是一個個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，目前工業(yè)上已較少應(yīng)用。 鮑爾環(huán) （2） 鮑爾環(huán)填料是對拉西環(huán)的改進(jìn)，在拉西環(huán)的側(cè)壁上開出兩排長方形的窗孔，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。 階梯環(huán) （3） 階梯環(huán)填料是對鮑爾環(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)，成為目前所使用的環(huán)形填料中最為優(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，表面利用率高，流道呈弧形，流動阻力小。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)。目前，國內(nèi)絕大多數(shù)應(yīng)用瓷拉西環(huán)的場合，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。由于球體結(jié)構(gòu)的對稱性，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合，工程上應(yīng)用較少。 除上述幾種較典型的散裝填料外，近年來不斷有構(gòu)型獨(dú)特的新型填料開發(fā)出來，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。 二、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)用最早的格柵填料為木格柵填料。目前應(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最具代表性。 格柵填料的比表面積較低，主要用于要求壓降小、負(fù)荷大及防堵等場合。 波紋填料 （2）波紋填料目前工業(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，氣液兩相通過時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍動。在縮頸段，氣速最高，湍動劇烈，從而強(qiáng)化傳質(zhì)。在擴(kuò)大段，氣速減到最小，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合。 填料塔的結(jié)構(gòu)及其工作原理 填料塔的作用是起到吸收作用，是化工、石油化工和煉油生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一。 以下講一下填料塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 填料塔是以塔內(nèi)的填料作為氣液兩相間接觸構(gòu)件的傳質(zhì)設(shè)備。填料塔的塔身是一直立式圓筒，底部裝有填料支承板，填料以亂堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安裝填料壓板，以防被上升氣流吹動。液體從塔頂經(jīng)液體分布器噴淋到填料上，并沿填料表面流下。氣體從塔底送入，經(jīng)氣體分布裝置（小直徑塔一般不設(shè)氣體分布裝置）分布后，與液體呈逆流連續(xù)通過填料層的空隙，在填料表面上，氣液兩相密切接觸進(jìn)行傳質(zhì)。填料塔屬于連續(xù)接觸式氣液傳質(zhì)設(shè)備，兩相組成沿塔高連續(xù)變化，在正常操作狀態(tài)下，氣相為連續(xù)相，液相為分散相。 當(dāng)液體沿填料層向下流動時(shí)，有逐漸向塔壁集中的趨勢，使得塔壁附近的液流量逐漸增大，這種現(xiàn)象稱為壁流。壁流效應(yīng)造成氣液兩相在填料層中分布不均，從而使傳質(zhì)效率下降。因此，當(dāng)填料層較高時(shí)，需要進(jìn)行分段，中間設(shè)置再分布裝置。液體再分布裝置包括液體收集器和液體再分布器兩部分，上層填料流下的液體經(jīng)液體收集器收集后，送到液體再分布器，經(jīng)重新分布后噴淋到下層填料上。 填料塔具有生產(chǎn)能力大，分離效率高，壓降小，持液量小，操作彈性大等優(yōu)點(diǎn)。 填料塔也有一些不足之處，如填料造價(jià)高；當(dāng)液體負(fù)荷較小時(shí)不能有效地潤濕填料表面，使傳質(zhì)效率降低；不能直接用于有懸浮物或容易聚合的物料；對側(cè)線進(jìn)料和出料等復(fù)雜精餾不太適合等。 填料小知識 填料是填料塔中的傳質(zhì)元件，它可以有不同的分類。填料的類型有兩大類：拉西環(huán)矩鞍填料；鮑爾環(huán)；鮑爾環(huán)是在拉西環(huán)的壁面上開一層或兩層長方形小窗。波紋填料有絲網(wǎng)形和孔板形兩大類。 對填料的基本要求有：傳質(zhì)效率高，要求填料能提供大的氣液接觸面。即要求具有大的比表面積，并要求填料表面易于被液體潤濕。只有潤濕的表面才是氣液接觸表面。生產(chǎn)能力大，氣體壓力降小。因此要求填料層的空隙率大。不移引起偏流和溝流。經(jīng)久耐用具有良好的耐腐蝕性，較高的機(jī)械強(qiáng)度和必要的耐熱性。取材容易，價(jià)格便宜。