填料的定義

填料泛指被填充於其他物體中的物料。

在化學工程中，填料指裝於填充塔內的惰性固體物料，例如鮑爾環和拉西環等，其作用是增大氣-液的接觸面，使其相互強烈混合。

在化工產品中，填料又稱填充劑，是指用以改善加工性能、制品力學性能並（或）降低成本的固體物料。

在污水處理領域，主要用於接觸氧化工藝，微生物會在填料的表面進行累積，以增大與污水的表面接觸，對污水進行降解處理。

優點：結構簡單、壓力降小、易於用耐腐蝕非金屬材料制造等。對於氣體吸收、真空蒸餾以及處理腐蝕性流體的操作，頗為適用。

缺點：當塔頸增大時，引起氣液分佈不均、接觸不良等，造成效率下降，即稱為放大效應。同時填料塔還有重量大、造價高、清理檢修麻煩、填料損耗大等缺點。

填料選用準則

填料的幾何特性數據主要包括比表面積、空隙率、填料因子等，是評價填料性能的基本參數。

（1）比表面積單位體積填料的填料表面積稱為比表面積，以a表示，其單位為m2/m3。填料的比表面積愈大，所提供的氣液傳質面積愈大。因此，比表面積是評價填料性能優劣的一個重要指標。

（2）空隙率單位體積填料中的空隙體積稱為空隙率，以e 表示，其單位為m3/m3，或以%表示。填料的空隙率越大，氣體通過的能力越大且壓降低。因此，空隙率是評價填料性能優劣的又一重要指標。

（3）填料因子填料的比表面積與空隙率三次方的比值，即a/e 3，稱為填料因子，以f表示，其單位為1/m。它表示填料的流體力學性能，f值越小，表明流動阻力越小。

填料性能優劣主要取決於：

• 有較大的比表面積（m2/m3填料層）
• 液體在填料表面有較好的均勻分佈性能
• 氣流能在填料層中均勻分佈
• 調料具有較大的空隙率（m3/m3填料層）。

在相同的操作條件下，填料的比表面積越大，氣液分佈越均勻，表面的潤濕性能越好，則傳質效率越高；填料的空隙率越大，結構越開敞，則通量越大，壓降亦越低。

采用模糊數學方法對九種常用填料的性能進行瞭評價，絲網波紋填料綜合性能最好，拉西環最差。

填料的選擇包括確定填料的種類、規格及材質等。所選填料既要滿足生產工藝的要求，又要使設備投資和操作費用最低。

1填料種類的選擇

填料種類的選擇要考慮分離工藝的要求,通常考慮以下幾個方面：

1)傳質效率要高一般而言，規整填料的傳質效率高於散裝填料。

2)通量要大。在保證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。

2填料規格的選擇

填料規格是指填料的公稱尺寸或比表面積。

（1）散裝填料規格的選擇

工業塔常用的散裝填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等幾種規格。

同類填料，尺寸越小，分離效率越高，但阻力增加，通量減少，填料費用也增加很多。而大尺寸的填料應用於小直徑塔中，又會產生液體分佈不良及嚴重的壁流，使塔的分離效率降低。

因此，對塔徑與填料尺寸的比值要有一規定，一般塔徑與填料公稱直徑的比值D/d應大於8。

（2）規整填料規格的選擇

工業上常用規整填料的型號和規格的表示方法很多，國內習慣用比表面積表示，主要有125、150、250、350、500、700等幾種規格。

同種類型的規整填料，其比表面積越大，傳質效率越高，但阻力增加，通量減少，填料費用也明顯增加。

選用時應從分離要求、通量要求、場地條件、物料性質及設備投資、操作費用等方面綜合考慮，使所選填料既能滿足技術要求，又具有經濟合理性。

3填料材質的選擇

填料的材質分為陶瓷、金屬和塑料三大類。

(1)陶瓷填料

陶瓷填料具有很好的耐腐蝕性及耐熱性，陶瓷填料價格便宜，具有很好的表面潤濕性能，質脆、易碎是其 最大缺點。在氣體吸收、氣體洗滌、液體萃取等過程中應用較為普遍。

(2)塑料填料

塑料填料的材質主要包括聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）及聚氯乙烯（PVC）等，國內一般多采用聚丙烯材質。塑料填料的耐腐蝕性能較好，可耐一般的無機酸、堿和有機溶劑的腐蝕。其耐溫性良好，可長期在100℃以下使用。

塑料填料質輕、價廉，具有良好的韌性，耐沖擊、不易碎，可以制成薄壁結構。它的通量大、壓降低，多用於吸收、解吸、萃取、除塵等裝置中。

塑料填料的缺點是表面潤濕性能差，但可通過適當的表面處理來改善其表面潤濕性能。

(3)金屬填料

金屬填料可用多種材質制成，選擇時主要考慮腐蝕問題。

碳鋼填料造價低，且具有良好的表面潤濕性能，對於無腐蝕或低腐蝕性物系應優先考慮使用。

不銹鋼填料耐腐蝕性強，一般能耐除Cl- 以外常見物系的腐蝕，但其造價較高，且表面潤濕性能較差，在某些特殊場合（如極低噴淋密度下的減壓精餾過程），需對其表面進行處理，才能取得良好的使用效果。

鈦材、特種合金鋼等材質制成的填料造價很高，一般隻在某些腐蝕性極強的物系下使用。

一般來說，金屬填料可制成薄壁結構，它的通量大、氣體阻力小，且具有很高的抗沖擊性能，能在高溫、高壓、高沖擊強度下使用，應用范圍最為廣泛。

填料的種類

1拉西環填料

拉西環填料於1914年由拉西（F. Rashching）發明，為外徑與高度相等的圓環。拉西環填料的氣液分佈較差，傳質效率低，阻力大，通量小，工業上已較少應用。

2鮑爾環填料

鮑爾環填料是對拉西環的改進，在拉西環的側壁上開出兩排長方形的窗孔，被切開的環壁的一側仍與壁面相連，另一側向環內彎曲，形成內伸的舌葉，諸舌葉的側邊在環中心相搭。

鮑爾環由於環壁開孔，大大提高瞭環內空間及環內表面的利用率，氣流阻力小，液體分佈均勻。與拉西環相比，鮑爾環的氣體通量可增加50%以上，傳質效率提高30%左右。鮑爾環是一種應用較廣的填料。

3階梯環填料

階梯環填料是對鮑爾環的改進，與鮑爾環相比，階梯環高度減少瞭一半並在一端增加瞭一個錐形翻邊。

由於高徑比減少，使得氣體繞填料外壁的平均路徑大為縮短，減少瞭氣體通過填料層的阻力。錐形翻邊不僅增加瞭填料的機械強度，而且使填料之間由線接觸為主變成以點接觸為主，這樣不但增加瞭填料間的空隙，同時成為液體沿填料表面流動的匯集分散點，可以促進液膜的表面更新，有利於傳質效率的提高。

階梯環的綜合性能優於鮑爾環，成為所使用的環形填料中最為優良的一種。

4弧鞍填料

弧鞍填料屬鞍形填料的一種，其形狀如同馬鞍，一般采用瓷質材料制成。

弧鞍填料的特點是表面全部敞開，不分內外，液體在表面兩側均勻流動，表面利用率高，流道呈弧形，流動阻力小。

其缺點是易發生套疊，致使一部分填料表面被重合，使傳質效率降低。弧鞍填料強度較差，容破碎，工業生產中應用不多。

5矩鞍填料

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。

矩鞍填料堆積時不會套疊，液體分佈較均勻。矩鞍填料一般采用瓷質材料制成，其性能優於拉西環。國內絕大多數應用瓷拉西環的場合，均已被瓷矩鞍填料所取代。

6金屬環矩鞍填料

環矩鞍填料（國外稱為Intalox）是兼顧環形和鞍形結構特點而設計出的一種新型填料，該填料一般以金屬材質制成，故又稱為金屬環矩鞍填料。

環矩鞍填料將環形填料和鞍形填料兩者的優點集於一體，其綜合性能優於鮑爾環和階梯環，在散裝填料中應用較多。

7球形填料

球形填料一般采用塑料註塑而成，其結構有多種。球形填料的特點是球體為空心，可以允許氣體、液體從其內部通過。由於球體結構的對稱性，填料裝填密度均勻，不易產生空穴和架橋，所以氣液分散性能好。球形填料一般隻適用於某些特定的場合，工程上應用較少。

除上述幾種較典型的散裝填料外，不斷有構型獨特的新型填料開發出來，如共軛環填料、海爾環填料、納特環填料等。

8規整填料

規整填料是按一定的幾何構形排列，整齊堆砌的填料。規整填料種類很多，根據其幾何結構可分為格柵填料、波紋填料等。

格柵填料

格柵填料是以條狀單元體經一定規則組合而成的，具有多種結構形式。工業上應用最早的格柵填料為木格柵填料。

應用較為普遍的有格裡奇格柵填料、網孔格柵填料、蜂窩格柵填料等，其中以格裡奇格柵填料最具代表性。格柵填料的比表面積較低，主要用於要求壓降小、負荷大及防堵等場合。

波紋填料

波紋填料在工業上應用的規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，組裝時相鄰兩波紋板反向靠疊。各盤填料垂直裝於塔內，相鄰的兩盤填料間交錯90°排列。

波紋填料按結構可分為網波紋填料和板波紋填料兩大類，其材質又有金屬、塑料和陶瓷等之分。

金屬絲網波紋填料是網波紋填料的主要形式，它是由金屬絲網制成的。金屬絲網波紋填料的壓降低，分離效率很高，特別適用於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瞭有效的手段。盡管其造價高，但因其性能優良仍得到瞭廣泛的應用。

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、加強橫向混合的作用。波紋板片上軋成細小溝紋，可起到細分配板片上的液體、增強表面潤濕性能的作用。金屬孔板波紋填料強度高，耐腐蝕性強，特別適用於大直徑塔及氣液負荷較大的場合。

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別在於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。其分離能力類似於網波紋填料，但抗堵能力比網波紋填料強，並且價格便宜，應用較為廣泛。

波紋填料的優點是結構緊湊，阻力小，傳質效率高，處理能力大，比表面積大（常用的有125、150、250、350、500、700等幾種）。波紋填料的缺點是不適於處理粘度大、易聚合或有懸浮物的物料，且裝卸、清理困難，造價高。

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整填料。

脈沖填料組裝後，會形成帶縮頸的多孔棱形通道，其縱面流道交替收縮和擴大，氣液兩相通過時產生強烈的湍動。在縮頸段，氣速最高，湍動劇烈，從而強化傳質。在擴大段，氣速減到最小，實現兩相的分離。流道收縮、擴大的交替重復，實現瞭“脈沖”傳質過程。

脈沖填料的特點是處理量大，壓降小，是真空精餾的理想填料。因其優良的液體分佈性能使放大效應減少，故特別適用於大塔徑的場合。

9四氟填料

聚四氟乙烯閥桿填料是以聚四氟乙烯細粉料為原料，采用全新的工藝加工而成的一種柔軟制品。白色，連續繩狀，截面呈圓形。它具有高度的柔順性，極好的填充性、自潤滑性、低摩擦系數、耐腐蝕等性能。

優點：

• 裝填方便快捷。裝填時一般不必拆卸閥門，隻需將繩狀填料繞在閥桿上，推入填料函，上緊函蓋帽，填料即被壓成一個密實的整體。
• 密封性能優異。膨脹聚四氟乙烯獨特的微觀結構賦予該產品極佳的柔韌性和模塑性，使它能輕易地將填料函內部空隙，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。因它長期保持的柔軟塑性，使泄漏缺口隨時被填塞，還因它不被腐蝕，不會老化，可保長期使用。
• 閥門開閉靈活輕便。因為聚四氟乙烯具有最低的摩擦系數和優異的自潤滑性。
• 不污染管道中的流體。因為它潔白幹凈，不會因腐蝕老化而脫落，使它特別適用於醫藥、精細化工、食品等行業。
• 規格通用性好，減少填料儲存量，節約開支。隻需備置幾種粗細規格的閥桿填料，就能滿足大多數閥門之需求。

一般選用能用手嵌入的最大號這種填料，但較細的'該種填料，也可用於大規格的閥門中，壓緊後，也會塑變成型，得到密實的封填體。

10塑性填料

塑性填料是經模具壓制成型的填料，使用時不需要像編結填料那樣切斷後盤成環狀，而且是根據軸頸大小制成環形。塑性填料有棉狀和積層兩種形式。

綿狀填料

綿狀填料是把纖維、石墨、雲母、金屬粉（或金屬鱗片）、油脂與彈性粘結劑相混合後，模壓成環形，再在外層編結一層石棉紗（根據需要也可用金屬絲）。

還有一種使用方式是將混合物直接放人填料腔，經壓蓋壓緊後直接使用，由於填料沒有固定尺寸，填料裝填不當容易影響密封性能，所以該方法較少使用。

可以根據工作條件調節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、酸性介質密封加人鉛粒或鉛片、軸有振動時可加添較多的彈性良好的粘結劑等。

由於這種填料不含潤滑劑，所以高壓下其體積變化很小，可用於高速泵類和高壓閥門密封。如加人固體潤滑劑，則可以保證良好的自潤滑性能，且結構致密，有助於提高密封性。另外，綿狀填料有塑性流動性，還可以與金屬填料組合使用。

積層填料

這種填料是在石棉佈或帆佈的表面上塗敷橡膠，經疊合或者卷繞後熱壓硫化成型，還可以內夾橡膠芯等軟質填料或嵌人彈簧，幾種積層填料的結構。

積層填料密封性良好，可用於120℃以下的低壓蒸汽、水和氨液，主要用作往復運動的軸封和閥桿的密封，無接口的圈裝積層填料還可以用作往復泵活塞環。由於積層填料中所含潤滑劑不足，使用過程中需添加潤滑劑。

總結

選擇填料時，對於某種特殊應用，填料的最佳標準是根據復合材料所期望達到的性能而定，必須考慮到下述基本原則。

1、填料在加工過程中必須保持其原有結構，並保持惰性、不溶性、熱穩定性、不揮發性、無催化活性和低的吸附性。

2、填料必須與基材能夠相容，無腐蝕性。

3、容易處理，堆積密度高，水分含量低，低塵，無毒性。

4、必須易得，貨源充足，價格適中，質量穩定。