填料的定義
填料泛指被填充于其他物體中的物料。
在化學(xué)工程中，填料指裝于填充塔內的惰性固體物料，例如鮑爾環(huán)和拉西環(huán)等，其作用是增大氣-液的接觸面，使其相互強烈混合。
在化工產(chǎn)品中，填料又稱(chēng)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，對污水進(jìn)行降解處理。
優(yōu)點(diǎn)：結構簡(jiǎn)單、壓力降小、易于用耐腐蝕非金屬材料制造等。對于氣體吸收、真空蒸餾以及處理腐蝕性流體的操作，頗為適用。
缺點(diǎn)：當塔頸增大時(shí)，引起氣液分布不均、接觸不良等，造成效率下降，即稱(chēng)為放大效應。同時(shí)填料塔還有重量大、造價(jià)高、清理檢修麻煩、填料損耗大等缺點(diǎn)。
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(jià)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(chēng)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(zhì)面積愈大。因此，比表面積是評價(jià)填料性能優(yōu)劣的一個(gè)重要指標。
（2）空隙率單位體積填料中的空隙體積稱(chēng)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(guò)的能力越大且壓降低。因此，空隙率是評價(jià)填料性能優(yōu)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(chēng)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(xué)性能，f值越小，表明流動(dòng)阻力越小。
填料性能優(yōu)劣主要取決于：
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布性能
氣流能在填料層中均勻分布
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，氣液分布越均勻，表面的潤濕性能越好，則傳質(zhì)效率越高；填料的空隙率越大，結構越開(kāi)敞，則通量越大，壓降亦越低。
采用模糊數學(xué)方法對九種常用填料的性能進(jìn)行了評價(jià)，絲網(wǎng)波紋填料綜合性能最好，拉西環(huán)最差。
填料的選擇包括確定填料的種類(lèi)、規格及材質(zhì)等。所選填料既要滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的要求，又要使設備投資和操作費用最低。
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填料種類(lèi)的選擇
填料種類(lèi)的選擇要考慮分離工藝的要求,通常考慮以下幾個(gè)方面：
1)傳質(zhì)效率要高一般而言，規整填料的傳質(zhì)效率高于散裝填料。
2)通量要大。在保證具有較高傳質(zhì)效率的前提下，應選擇具有較高泛點(diǎn)氣速或氣相動(dòng)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。
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填料規格的選擇
填料規格是指填料的公稱(chēng)尺寸或比表面積。
（1）散裝填料規格的選擇
工業(yè)塔常用的散裝填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等幾種規格。
同類(lèi)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于小直徑塔中，又會(huì )產(chǎn)生液體分布不良及嚴重的壁流，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(chēng)直徑的比值D/d應大于8。
（2）規整填料規格的選擇
工業(yè)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(lèi)型的規整填料，其比表面積越大，傳質(zhì)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(shí)應從分離要求、通量要求、場(chǎng)地條件、物料性質(zhì)及設備投資、操作費用等方面綜合考慮，使所選填料既能滿(mǎn)足技術(shù)要求，又具有經(jīng)濟合理性。
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填料材質(zhì)的選擇
填料的材質(zhì)分為陶瓷、金屬和塑料三大類(lèi)。
(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(jià)格便宜，具有很好的表面潤濕性能，質(zhì)脆、易碎是其 最大缺點(diǎn)。在氣體吸收、氣體洗滌、液體萃取等過(guò)程中應用較為普遍。
(2)塑料填料
塑料填料的材質(zhì)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(zhì)。塑料填料的耐腐蝕性能較好，可耐一般的無(wú)機酸、堿和有機溶劑的腐蝕。其耐溫性良好，可長(cháng)期在100℃以下使用。
塑料填料質(zhì)輕、價(jià)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，多用于吸收、解吸、萃取、除塵等裝置中。
塑料填料的缺點(diǎn)是表面潤濕性能差，但可通過(guò)適當的表面處理來(lái)改善其表面潤濕性能。
(3)金屬填料
金屬填料可用多種材質(zhì)制成，選擇時(shí)主要考慮腐蝕問(wèn)題。
碳鋼填料造價(jià)低，且具有良好的表面潤濕性能，對于無(wú)腐蝕或低腐蝕性物系應優(yōu)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(jiàn)物系的腐蝕，但其造價(jià)較高，且表面潤濕性能較差，在某些特殊場(chǎng)合（如極低噴淋密度下的減壓精餾過(guò)程），需對其表面進(jìn)行處理，才能取得良好的使用效果。
鈦材、特種合金鋼等材質(zhì)制成的填料造價(jià)很高，一般只在某些腐蝕性極強的物系下使用。
一般來(lái)說(shuō)，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(lèi)
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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，工業(yè)上已較少應用。
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鮑爾環(huán)填料
鮑爾環(huán)填料是對拉西環(huán)的改進(jìn)，在拉西環(huán)的側壁上開(kāi)出兩排長(cháng)方形的窗孔，被切開(kāi)的環(huán)壁的一側仍與壁面相連，另一側向環(huán)內彎曲，形成內伸的舌葉，諸舌葉的側邊在環(huán)中心相搭。
鮑爾環(huán)由于環(huán)壁開(kāi)孔，大大提高了環(huán)內空間及環(huán)內表面的利用率，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)是一種應用較廣的填料。
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階梯環(huán)填料
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(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械強度，而且使填料之間由線(xiàn)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)形填料中最為優(yōu)良的一種。
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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(zhì)材料制成。
弧鞍填料的特點(diǎn)是表面全部敞開(kāi)，不分內外，液體在表面兩側均勻流動(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。弧鞍填料強度較差，容破碎，工業(yè)生產(chǎn)中應用不多。
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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(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)。國內絕大多數應用瓷拉西環(huán)的場(chǎng)合，均已被瓷矩鞍填料所取代。
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金屬環(huán)矩鞍填料
環(huán)矩鞍填料（國外稱(chēng)為Intalox）是兼顧環(huán)形和鞍形結構特點(diǎn)而設計出的一種新型填料，該填料一般以金屬材質(zhì)制成，故又稱(chēng)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)，在散裝填料中應用較多。
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球形填料
球形填料一般采用塑料注塑而成，其結構有多種。球形填料的特點(diǎn)是球體為空心，可以允許氣體、液體從其內部通過(guò)。由于球體結構的對稱(chēng)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(kāi)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。
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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(lèi)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(jīng)一定規則組合而成的，具有多種結構形式。工業(yè)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、負荷大及防堵等場(chǎng)合。
波紋填料
波紋填料在工業(yè)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(pán)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(pán)填料垂直裝于塔內，相鄰的兩盤(pán)填料間交錯90°排列。
波紋填料按結構可分為網(wǎng)波紋填料和板波紋填料兩大類(lèi)，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，特別適用于大直徑塔及氣液負荷較大的場(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(lèi)似于網(wǎng)波紋填料，但抗堵能力比網(wǎng)波紋填料強，并且價(jià)格便宜，應用較為廣泛。
波紋填料的優(yōu)點(diǎn)是結構緊湊，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。
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大，氣液兩相通過(guò)時(shí)產(chǎn)生強烈的湍動(dòng)。在縮頸段，氣速最高，湍動(dòng)劇烈，從而強化傳質(zhì)。在擴大段，氣速減到最小，實(shí)現兩相的分離。流道收縮、擴大的交替重復，實(shí)現了“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減少，故特別適用于大塔徑的場(chǎng)合。
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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(yōu)點(diǎn)：
裝填方便快捷。裝填時(shí)一般不必拆卸閥門(mén)，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。膨脹聚四氟乙烯獨特的微觀(guān)結構賦予該產(chǎn)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(mén)避免更換或修理。
使用壽命長(cháng)。因它長(cháng)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(cháng)期使用。
閥門(mén)開(kāi)閉靈活輕便。因為聚四氟乙烯具有最低的摩擦系數和優(yōu)異的自潤滑性。
不污染管道中的流體。因為它潔白干凈，不會(huì )因腐蝕老化而脫落，使它特別適用于醫藥、精細化工、食品等行業(yè)。
規格通用性好，減少填料儲存量，節約開(kāi)支。只需備置幾種粗細規格的閥桿填料，就能滿(mǎn)足大多數閥門(mén)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，也可用于大規格的閥門(mén)中，壓緊后，也會(huì )塑變成型，得到密實(shí)的封填體。
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塑性填料
塑性填料是經(jīng)模具壓制成型的填料，使用時(shí)不需要像編結填料那樣切斷后盤(pán)成環(huán)狀，而且是根據軸頸大小制成環(huán)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、云母、金屬粉（或金屬鱗片）、油脂與彈性粘結劑相混合后，模壓成環(huán)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入填料腔，經(jīng)壓蓋壓緊后直接使用，由于填料沒(méi)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(lèi)和配比，例如高壓蒸汽密封加入銅粉、酸性介質(zhì)密封加人鉛粒或鉛片、軸有振動(dòng)時(shí)可加添較多的彈性良好的粘結劑等。
由于這種填料不含潤滑劑，所以高壓下其體積變化很小，可用于高速泵類(lèi)和高壓閥門(mén)密封。如加入固體潤滑劑，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。
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?xún)葕A橡膠芯等軟質(zhì)填料或嵌入彈簧，幾種積層填料的結構。
積層填料密封性良好，可用于120℃以下的低壓蒸汽、水和氨液，主要用作往復運動(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泵活塞環(huán)。由于積層填料中所含潤滑劑不足，使用過(guò)程中需添加潤滑劑。
總結
選擇填料時(shí)，對于某種特殊應用，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(guò)程中必須保持其原有結構，并保持惰性、不溶性、熱穩定性、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)量穩定。
