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填料塔技术及应用现状研究综述
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填料塔技术及应用现状研究综述

2020-05-05      阅读:
填料塔作为一种气液分离设备被广泛应用于生物、环境、化学等领域,填料塔的内部构件以及操作流程是塔技术的发展关键,填料作为填料塔的核心部件,填料的性能直接决定填料塔的流体传输性能。从工业污水处理应用角度介绍多孔陶粒填料塔流体传输问题,侧重叙述流体在填料塔中的压降、液泛、持液量的实验研究结果并将所得数据进行相应的分析和总结,干塔填料的压阻与空塔气速成反比,而湿塔填料的压阻与空塔气速成正比。以多孔陶粒填料在填料塔中的流动分布特性展开概述。目前,国内外已将大型高效的填料塔改进工作作为发展的方向,并且在填料塔的设备完善以及产品的质量、品质取得了卓越的成就,填料塔优良的特性将不断被探索与开发,为今后填料塔的长足发展奠定了坚实的基础。

近年来随着工业生产和城市现代化水平的发展,废水排放日益增加,水中的重金属含量超标。重金属废水处理为污水处理中的一项重要内容,含铬废水作为重金属废水中的一类污染物,其处理技术对于流体传输性能要求十分高。目前国内外对多孔陶粒填料塔流体传输性能的实验研究,旨在强化操作与技术革新,本研究的目的是研究多孔陶粒填料塔流体传输性能,主要针对污水处理方面的实验。通过对多孔陶粒填料塔中流体测试,分析出填料塔在流体流动过程中的优良性能以及存在的主要问题,并深入分析其出现的原因,并借鉴国内外先进行业多孔陶粒填料塔流体传输性能研究的经验,为多孔陶粒填料塔更好的发挥其优良的特性以及更好地推进多孔陶粒填料塔的发展进程。为今后的的污水处理装置的设计及其性能优化提供中肯的建议和丰富的经验。关于填料塔的工艺设计,首要的工作是确定其直径和高度,根据流体力学性能确定填料塔的直径和高度。由于目前填料塔中塔填料的种类繁多,形状各不相同,质地相差较大,因此构建起的填料层的模式错综复杂,但填料塔的操作流程较为简单。填料塔中流体力学研究是整个填料塔研究的重中之重,即使国内外有许多非常好的研究成果,但是仍存在大量的问题。现阶段确定填料塔直径和高度的方式主要通过实验研究和理论推算,并附加工业污水处理的实践总结进行装置的设计。

1填料塔技术目前,填料塔中的填料种类在普遍情况下需考虑实际生产、生活操作中的基本要求,主要考虑如下几个方面:传输效率要求高。规整填料用于大型塔时,其效率降低较小[1]。一般来说,散装填料低于规整填料;优先选择气相动能因子较高的填料;填料塔中填料层压降低;填料机械强度高,填料塔便于清洗、安装、拆卸。以上是根据流体力学和传输性能两个方面综合考虑多孔陶粒填料的特性。填料塔的内部构件是保证填料塔中的气液接触更加充分,塔内的沟流和壁流效应有所改善,压降也可以很小,为了更好地发挥填料塔最大生产效率的能力。Porter关于填料塔的壁流效应曾提出,对于小直径的填料塔壁流量几乎能占到总液体量的50%[2]。张志炳等[3]探索发现,对于某些填料的壁流量甚至能达到总液体的70%以上。实验研究表明,填料塔壁流量的大小与填料塔的许多参数有关(填料的物性参数、塔径、填料层高度、气体流速等),这些参数相互作用从而影响填料塔的壁流量。填料塔的流体力学性能指标在普遍情况下有压降、液泛以及持液量等参数。掌握气液两相流体在填料塔中的流动规律能够进一步弄懂填料塔的流体力学性能。所以,研究填料塔中流体的流动分布规律是推进填料塔技术发展的基石。本文从工业污水处理应用角度介绍填料塔的发展概况,详细叙述了多孔陶粒介质流体传输性能实验的研究,侧重总结重点结论,并对所得结论研究、分析、探讨,从而为工业污水处理以及对填料塔设计和操作提供了更加稳定、准确的实验数据和宝贵的建议。填料塔运行操作时,气体从塔的底部自下而上经过多孔陶粒的空隙,液体从填料塔设备顶部流下进入填料层并沿陶粒填料表面流动,在此期间气液流动形成两相接触面,进行流体力学传输。气体和液体相互穿插,流动能力、两相接触面的大小、传输速率的快慢程度与多孔陶粒的几何形状以及物性参数有着密不可分的关系。对于以上问题的出现,近年来相关领域的专家与学者一直探索传输性能优良并且成本低廉的塔填料。填料塔在大多数的情况下可以体现出其优良的特性,在操作过程中需要高精度的分离情况下,由于新型填料的发现可以保持填料塔高效传输的硬性指标要求,所以可以采用新型的填料来降低填料塔的高度,以减少设备的生产运行中占用大量面积的问题;对于具有腐蚀性的气液流体传输时,可以采用陶粒或者其他非金属塔填料的填料塔设备;其次对于一些容易出现泡沫的液体传输时填料塔最为合适,主要是由于填料塔气体的流动方式不是以气泡形式通过液相,可以很大程度上避免填料中出现泡沫的危险,除此以外,填料也是阻隔气泡形成的一道屏障。

2填料的几何特性参数多孔陶粒介质填料采用优良的高铝钒土经高压使其破碎、高温煅烧后制成的,大多数情况下主要是充当填料塔中的滤料的角色,多孔陶粒介质陶粒普遍应用于工业以及城市污水的处理领域及行业。据学者提供的相关数据[6]对2003—2011年污泥资源合理化利用情况进行了分析,焚烧发电占41%。污泥农用制肥占30%,污泥制水泥占11%,污泥制沼气占7%,污泥制砖占11%。填料的结构对填料流体力学性能的影响至今重要,多孔陶粒的表面光滑、相对过滤的阻力较小、在水力冲击下耐磨损、不易破损、容易再生、无特殊的操作场合基本不需要更换。多孔陶粒介质表面具有坚硬的保护壳,这种保护壳基本呈现陶质或者釉质,其特殊的构造决定着多孔陶粒介质保气防水的用途,因此多孔陶粒能够拥有很高的机械强度,普遍情况下应用于填料塔的流体传输性能研究。陶粒的理化性质主要受材料化学成分的影响,根据陶粒在制备过程中的侧重的作用差异主要分为以下三类[7];成陶成分、助熔成分、产气成分。而比表面积、孔隙率、堆积密度等,是衡量填料几何性能的基本参数。填料塔对于填料的基本要求有:传输效率高。能够创造较大的气液两相流接触面,此时填料需满足较大的比表面积,填料的表面容易被润湿,气体与液体接触的表面必须是填料被润湿的表面,并且气体与液体的接触面才是有效比表面积。气体在填料塔中的压降小也是一个关键因素,所以对于填料层中大孔隙率的设置目的,从一定程度上改善了液体的不均匀流动。

3填料塔的应用现状

3.1填料塔在污水处理中的应用
关于多孔陶粒填料与规整填料的的探究,我国许多专家学者都进行过详细的比较说明。近年来一些新型高效散堆填料的出现以及一些行业的成功应用,如环保行业从烟气中除去HCl和SO2等,说明散堆填料在某些领域得到新的发展。现阶段污水处理中采用的生物化学方式有两种:活性污泥法;生物膜法。目前生物填料塔作为在生物法中主要处理污水的运行设备,在大多数的实际操作中混合其他的方法一块运行,李顺义等[6]采用负载功能微生物复合填料去除氮氧化物实验,实验验证了复合填料对于氮氧化物的去除有显著的作用,周婧淳等[7]在研究农用栽培基质中,利用自制的陶粒作为底料,实验研究表明,合理的陶粒废料使用量可以最大程度上提高农作物的产量,与此同时增强了植株的抗病、抗倒、抗虫害的优良特性。刘军等[8]提及了城市污水处理中应用到的生物填料塔,详细叙述了生物填料塔中驯养的生物量越大,其填料塔的抗冲击能力就越高。化学需氧量、生物需氧量的去除率明显提高,极大程度发挥了生物填料塔中培养菌氧化降解有机物的作用,在此期间的运作没有污泥的膨胀现象。赖万东等[9]探究填料塔应用于餐饮行业污水处理的现状,实验中采用自行筛选驯化的培养菌,实验结果表明,进水含铬离子的化学需氧量950mg/L,实验菌液维持pH值为5.5~8.0时,含铬化学需氧量去除率高达80.5%,出水的含铬化学需氧量的质量浓度为150mg/L。针对荆门石油化工厂应用生物填料塔处理石油污水的实践操作中,材料应用改性的填料,赵玉华等[10]在实验过程中总结出石油污水中的化学需氧量质量浓度维持在250~300mg/L,石油中废水的去除率在20%~30%,其去除率占总去除率的22%。氨氮的去除率维持在15%左右,占总去除量的20%左右,经过测定和相关的实验数据分析,填料的改性十分可观。邹华生等[11]探究曝气生物填料塔降解氯苯的性能特性参数,实验在合理的条件下证实氯苯的降解速率明显提高。天津大学化学工程研究所研发了一种填料复合塔。此塔板综合了新型垂直式筛板气液并流传质的优良特性,与此同时吸纳了规整填料塔填料传输效率高、填料层压降小的特点,从而构成填料塔中气液并流流动的过程,并保存了垂直筛板水平泡沫夹带小的优势。经实验数据分析,复合塔板相比垂直筛板具有传输效率高、压降小以及操作范围宽,泡沫夹带相对较平衡,并且此技术已经申请为国家专利[12]。熊开生等[13]利用改性的聚氯乙烯生物填料检验PVC生物填料的亲水性,实验结论表明改性后的PVC生物填料对于生物的亲水性和亲和性有极大的促进作用,并且可以应用城市生活污水处理。

3.2填料塔在废气处理中的应用
孙佩石等[14]进行了生物填料塔净化工业废气中甲苯的实验研究,实验采用低浓度的甲苯为研究对象,分别探究了陶粒、瓷环、塑料环以及不锈钢环的性能参数,实验数据表明:陶粒是一种性价比较好的处理工业废气填料塔的理想填料;
并且对于四种填料的综合性能进行了比较:陶粒优于瓷环、不锈钢环、塑料环。目前我国对于高浓度工业有机废气的处理方式较多,例如吸附法、吸收法。但是对于低浓度的废气处理方式较单一且有更多的技术瓶颈,相对来说处理难度较大,也是世界处理三废中的技术难题。生物法为处理工业低浓度废气带来了福音,也是目前处理废气领域的一项新型技术,在国内外已经受到越来越广泛的关注与应用。麦穗海等[15]关于污水厂泵中利用填料塔处理H2S气体的实验,得出填料塔对于有害气体的去处方法完全可行,并且在一定程度下提高相应的实验条件可以加速H2S的去除。对于填料塔的研究国外已经拥有相当成熟的技术,生物填料塔中的填料作为整个设备的核心,经过一个世纪时间的积累沉淀,生物填料塔技术突飞猛进,近半个世纪,国外的许多专家学者对于生物填料塔高浓度的传输效率以及降解速率提高方面进行了深入的研究与探索。世界各地对水质标准要求一直在提高,面对新的水处理要求和挑战,新工艺的发现让这些成熟的生物膜反应器类型迎来了新的机遇。

4填料塔的内部构件

填料塔的内部构件主要有填料的承托层、液体喷淋装置、密封装置等。填料塔内部构件设计的合理性以及选型的准确性和正确性,对于保障填料塔正常操作运行提供了稳固的平台。

4.1承托层填料塔承托层装置是安装在填料层的底部,塔发挥着防止填料从承托层上落下;承托层支撑这整个填料塔中填料的重量;承托层上保证一定的开孔比,便于气体和液体能够顺利的通过。承托层需要保证相对高的强度以及刚度要求,并且设置承托层需要满足结构简单,组装方便,材料的耐腐蚀性要强。承托层的选取主要考虑塔的直径、填料的特性、材质、气流的速率等。塔密封装置设置于塔体的最顶部,目的是防止塔上方杂物的落入,避免其他微生物对塔中反应的影响,其次也很好地保证填料塔运行的稳定性和畅通性。

4.2液体喷淋装置液体喷淋装置设置在填料层的上面。从最开始的压力喷淋到如今优良性能的槽式液体喷淋器,液体分布更加均匀,结构也越来越精细化。一方面充当填料层的压紧装置,防止填料由于气流流速过大而冲出塔体,避免填料层的松动而影响实验的后续工作的发生;另一方面将事先注入的液体以及回流的液体均匀喷淋在填料的表面,从而构成最原始的液体分布,液体喷淋装置常设置相应的开孔系数以此保证气体和液体能自由通过。填料塔作为气液两相逆向流传输的重要设备,其结构和安装较简单。填料塔的底部设置有一定开孔比的承托层以支持填料塔中的填料,它的作用是允许气体与液体通过。承托层上面的填料有乱堆与整砌两种形式。填料层的上方设有一定开孔比的槽式喷淋板,根据安装的差异分为三种:全可拆式、局部可拆式、全焊接式。其作用是使得液体均匀地喷淋在填料上。

5结论
随着生产水平的不断提高,生产逐步向大型化发展,最近几年填料塔的直径已经由原来的几毫米到如今超过1m,填料塔规格的大幅提升打破了填料塔只适用于小直径尺寸的旧观点。对此,相关领域的专家学者着力研究填料塔的放大规律,并且更加侧重于填料流体传输性能和气液两相分布的研究。起初专家学者对于新型填料的开发十分热忱,相继开发了许多新型填料,如:拉西环鲍尔环阶梯环、矩鞍型填料。近几年来,研究学者更青睐于液体喷淋装置的布置以及气液分布器的分布的研究与开发,因此对于填料塔大尺寸的实现提供了先决条件,相关实验数据表明,直径较大填料塔的气、液两相通透性以及流体传输性能与填料层的堆积高度无关,并且实验验证较大直径的填料塔只要满足液体均匀流动,即可符合流体的流动分布不受填料层高度限制的说法,填料塔的发展为新型填料市场的开拓提供了一个得天独厚的条件,更进一步的探索与革新即将拉开帷幕。
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