填料塔作為一種氣液分離設(shè)備被廣泛應(yīng)用于生物、環(huán)境、化學(xué)等領(lǐng)域，填料塔的內(nèi)部構(gòu)件以及操作流程是塔技術(shù)的發(fā)展關(guān)鍵，填料作為填料塔的核心部件，填料的性能直接決定填料塔的流體傳輸性能。從工業(yè)污水處理應(yīng)用角度介紹多孔陶粒填料塔流體傳輸問(wèn)題，側(cè)重?cái)⑹隽黧w在填料塔中的壓降、液泛、持液量的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果并將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的分析和總結(jié)，干塔填料的壓阻與空塔氣速成反比，而濕塔填料的壓阻與空塔氣速成正比。以多孔陶粒填料在填料塔中的流動(dòng)分布特性展開概述。目前，國(guó)內(nèi)外已將大型高效的填料塔改進(jìn)工作作為發(fā)展的方向，并且在填料塔的設(shè)備完善以及產(chǎn)品的質(zhì)量、取得了的成就，填料塔良的特性將不斷被探索與開發(fā)，為今后填料塔的長(zhǎng)足發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

近年來(lái)隨著工業(yè)生產(chǎn)和城市現(xiàn)代化水平的發(fā)展，廢水排放日益增加，水中的重金屬含量超標(biāo)。重金屬?gòu)U水處理為污水處理中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，含鉻廢水作為重金屬?gòu)U水中的一類污染物，其處理技術(shù)對(duì)于流體傳輸性能要求十分高。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)多孔陶粒填料塔流體傳輸性能的實(shí)驗(yàn)研究，旨在強(qiáng)化操作與技術(shù)革新，本研究的目的是研究多孔陶粒填料塔流體傳輸性能，主要針對(duì)污水處理方面的實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)多孔陶粒填料塔中流體測(cè)試，分析出填料塔在流體流動(dòng)過(guò)程中的良性能以及存在的主要問(wèn)題，并深入分析其出現(xiàn)的原因，并借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)行業(yè)多孔陶粒填料塔流體傳輸性能研究的經(jīng)驗(yàn)，為多孔陶粒填料塔的發(fā)揮其良的特性以及地推進(jìn)多孔陶粒填料塔的發(fā)展進(jìn)程。為今后的的污水處理裝置的設(shè)計(jì)及其性能化提供中肯的建議和豐富的經(jīng)驗(yàn)。關(guān)于填料塔的工藝設(shè)計(jì)，要的工作是確定其直徑和高度，根據(jù)流體力學(xué)性能確定填料塔的直徑和高度。由于目前填料塔中塔填料的種類繁多，形狀各不相同，質(zhì)地相差較大，因此構(gòu)建起的填料層的模式錯(cuò)綜復(fù)雜，但填料塔的操作流程較為簡(jiǎn)單。填料塔中流體力學(xué)研究是整個(gè)填料塔研究的重中之重，即使國(guó)內(nèi)外有許多非常好的研究成果，但是仍存在大量的問(wèn)題。現(xiàn)階段確定填料塔直徑和高度的方式主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和理論推算，并附加工業(yè)污水處理的實(shí)踐總結(jié)進(jìn)行裝置的設(shè)計(jì)。

1填料塔技術(shù)目前，填料塔中的填料種類在普遍情況下需考慮實(shí)際生產(chǎn)、生活操作中的基本要求，主要考慮如下幾個(gè)方面：傳輸效率要求高。規(guī)整填料用于大型塔時(shí)，其效率降低較小[1]。一般來(lái)說(shuō)，散裝填料低于規(guī)整填料；先選擇氣相動(dòng)能較高的填料；填料塔中填料層壓降低；填料機(jī)械強(qiáng)度高，填料塔便于清洗、安裝、拆卸。以上是根據(jù)流體力學(xué)和傳輸性能兩個(gè)方面綜合考慮多孔陶粒填料的特性。填料塔的內(nèi)部構(gòu)件是保證填料塔中的氣液接觸更加充分，塔內(nèi)的溝流和壁流效應(yīng)有所改善，壓降也可以很小，為了地發(fā)揮填料塔大生產(chǎn)效率的能力。Porter關(guān)于填料塔的壁流效應(yīng)曾提出，對(duì)于小直徑的填料塔壁流量幾乎能占到總液體量的50%[2]。張志炳等[3]探索發(fā)現(xiàn)，對(duì)于某些填料的壁流量甚至能達(dá)到總液體的70%以上。實(shí)驗(yàn)研究表明，填料塔壁流量的大小與填料塔的許多參數(shù)有關(guān)（填料的物性參數(shù)、塔徑、填料層高度、氣體流速等），這些參數(shù)相互作用從而影響填料塔的壁流量。填料塔的流體力學(xué)性能指標(biāo)在普遍情況下有壓降、液泛以及持液量等參數(shù)。掌握氣液兩相流體在填料塔中的流動(dòng)規(guī)律能夠進(jìn)一步弄懂填料塔的流體力學(xué)性能。所以，研究填料塔中流體的流動(dòng)分布規(guī)律是推進(jìn)填料塔技術(shù)發(fā)展的基石。本文從工業(yè)污水處理應(yīng)用角度介紹填料塔的發(fā)展概況，詳細(xì)敘述了多孔陶粒介質(zhì)流體傳輸性能實(shí)驗(yàn)的研究，側(cè)重總結(jié)重點(diǎn)結(jié)論，并對(duì)所得結(jié)論研究、分析、探討，從而為工業(yè)污水處理以及對(duì)填料塔設(shè)計(jì)和操作提供了更加穩(wěn)定、準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和寶貴的建議。填料塔運(yùn)行操作時(shí)，氣體從塔的底部自下而上經(jīng)過(guò)多孔陶粒的空隙，液體從填料塔設(shè)備頂部流下進(jìn)入填料層并沿陶粒填料表面流動(dòng)，在此期間氣液流動(dòng)形成兩相接觸面，進(jìn)行流體力學(xué)傳輸。氣體和液體相互穿插，流動(dòng)能力、兩相接觸面的大小、傳輸速率的快慢程度與多孔陶粒的幾何形狀以及物性參數(shù)有著密不可分的關(guān)系。對(duì)于以上問(wèn)題的出現(xiàn)，近年來(lái)相關(guān)領(lǐng)域的與學(xué)者一直探索傳輸性能良并且成本低廉的塔填料。填料塔在大多數(shù)的情況下可以體現(xiàn)出其良的特性，在操作過(guò)程中需要高精度的分離情況下，由于新型填料的發(fā)現(xiàn)可以保持填料塔高效傳輸?shù)挠残灾笜?biāo)要求，所以可以采用新型的填料來(lái)降低填料塔的高度，以減少設(shè)備的生產(chǎn)運(yùn)行中占用大量面積的問(wèn)題；對(duì)于具有腐蝕性的氣液流體傳輸時(shí)，可以采用陶粒或者其他非金屬塔填料的填料塔設(shè)備；其次對(duì)于一些容易出現(xiàn)泡沫的液體傳輸時(shí)填料塔為合適，主要是由于填料塔氣體的流動(dòng)方式不是以氣泡形式通過(guò)液相，可以很大程度上避免填料中出現(xiàn)泡沫的危險(xiǎn)，除此以外，填料也是阻隔氣泡形成的一道屏障。

2填料的幾何特性參數(shù)多孔陶粒介質(zhì)填料采用良的高鋁釩土經(jīng)高壓使其破碎、高溫煅燒后制成的，大多數(shù)情況下主要是充當(dāng)填料塔中的濾料的角色，多孔陶粒介質(zhì)陶粒普遍應(yīng)用于工業(yè)以及城市污水的處理領(lǐng)域及行業(yè)。據(jù)學(xué)者提供的相關(guān)數(shù)據(jù)[6]對(duì)2003—2011年污泥資源合理化利用情況進(jìn)行了分析，焚燒發(fā)電占41%。污泥農(nóng)用制肥占30%，污泥制水泥占11%，污泥制沼氣占7%，污泥制磚占11%。填料的結(jié)構(gòu)對(duì)填料流體力學(xué)性能的影響至今重要，多孔陶粒的表面光滑、相對(duì)過(guò)濾的阻力較小、在水力沖擊下耐磨損、不易破損、容易、無(wú)特殊的操作場(chǎng)合基本不需要更換。多孔陶粒介質(zhì)表面具有堅(jiān)硬的保護(hù)殼，這種保護(hù)殼基本呈現(xiàn)陶質(zhì)或者釉質(zhì)，其特殊的構(gòu)造決定著多孔陶粒介質(zhì)保氣的用途，因此多孔陶粒能夠擁有很高的機(jī)械強(qiáng)度，普遍情況下應(yīng)用于填料塔的流體傳輸性能研究。陶粒的理化性質(zhì)主要受材料化學(xué)成分的影響，根據(jù)陶粒在制備過(guò)程中的側(cè)重的作用差異主要分為以下三類[7]；成陶成分、助熔成分、產(chǎn)氣成分。而比表面積、孔隙率、堆積密度等，是衡量填料幾何性能的基本參數(shù)。填料塔對(duì)于填料的基本要求有：傳輸效率高。能夠創(chuàng)造較大的氣液兩相流接觸面，此時(shí)填料需滿足較大的比表面積，填料的表面容易被潤(rùn)濕，氣體與液體接觸的表面必須是填料被潤(rùn)濕的表面，并且氣體與液體的接觸面才是有效比表面積。氣體在填料塔中的壓降小也是一個(gè)關(guān)鍵因素，所以對(duì)于填料層中大孔隙率的設(shè)置目的，從一定程度上改善了液體的不均勻流動(dòng)。

3填料塔的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1填料塔在污水處理中的應(yīng)用
關(guān)于多孔陶粒填料與規(guī)整填料的的探究，我國(guó)許多學(xué)者都進(jìn)行過(guò)詳細(xì)的比較說(shuō)明。近年來(lái)一些新型高效散堆填料的出現(xiàn)以及一些行業(yè)的成功應(yīng)用，如行業(yè)從煙氣中HCl和SO2等，說(shuō)明散堆填料在某些領(lǐng)域得到新的發(fā)展?，F(xiàn)階段污水處理中采用的生物化學(xué)方式有兩種：活性污泥法；生物膜法。目前生物填料塔作為在生物法中主要處理污水的運(yùn)行設(shè)備，在大多數(shù)的實(shí)際操作中混合其他的方法一塊運(yùn)行，李順義等[6]采用負(fù)載功能微生物復(fù)合填料氮氧化物實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了復(fù)合填料對(duì)于氮氧化物的有顯著的作用，周婧淳等[7]在研究農(nóng)用栽培基質(zhì)中，利用自制的陶粒作為底料，實(shí)驗(yàn)研究表明，合理的陶粒廢料使用量可以大程度上提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，與此同時(shí)了植株的抗病、抗倒、抗蟲害的良特性。劉軍等[8]提及了城市污水處理中應(yīng)用到的生物填料塔，詳細(xì)敘述了生物填料塔中馴養(yǎng)的生物量越大，其填料塔的抗沖擊能力就越高。化學(xué)需氧量、生物需氧量的率明顯提高，大程度發(fā)揮了生物填料塔中培養(yǎng)菌氧化降解物的作用，在此期間的運(yùn)作沒(méi)有污泥的膨脹現(xiàn)象。賴萬(wàn)東等[9]探究填料塔應(yīng)用于餐飲行業(yè)污水處理的現(xiàn)狀，實(shí)驗(yàn)中采用自行篩選馴化的培養(yǎng)菌，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)水含鉻離子的化學(xué)需氧量950mg/L，實(shí)驗(yàn)菌液維持pH值為5.5~8.0時(shí)，含鉻化學(xué)需氧量率高達(dá)80.5%，出水的含鉻化學(xué)需氧量的質(zhì)量濃度為150mg/L。針對(duì)荊門石油化工廠應(yīng)用生物填料塔處理石油污水的實(shí)踐操作中，材料應(yīng)用改性的填料，趙玉華等[10]在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中總結(jié)出石油污水中的化學(xué)需氧量質(zhì)量濃度維持在250~300mg/L，石油中廢水的率在20%~30%，其率占總率的22%。氨氮的率維持在15%左右，占總量的20%左右，經(jīng)過(guò)測(cè)定和相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，填料的改性十分可觀。鄒華生等[11]探究曝氣生物填料塔降解氯苯的性能特性參數(shù)，實(shí)驗(yàn)在合理的條件下證實(shí)氯苯的降解速率明顯提高。天津大學(xué)化學(xué)工程研究所研發(fā)了一種填料復(fù)合塔。此塔板綜合了新型垂直式篩板氣液并流傳質(zhì)的良特性，與此同時(shí)吸納了規(guī)整填料塔填料傳輸效率高、填料層壓降小的特點(diǎn)，從而構(gòu)成填料塔中氣液并流流動(dòng)的過(guò)程，并保存了垂直篩板水平泡沫夾帶小的勢(shì)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，復(fù)合塔板相比垂直篩板具有傳輸效率高、壓降小以及操作范圍寬，泡沫夾帶相對(duì)較平衡，并且此技術(shù)已經(jīng)申請(qǐng)為[12]。熊開生等[13]利用改性的聚氯乙烯生物填料檢驗(yàn)PVC生物填料的親水性，實(shí)驗(yàn)結(jié)論表明改性后的PVC生物填料對(duì)于生物的親水性和親和性有大的促進(jìn)作用，并且可以應(yīng)用城市生活污水處理。

3.2填料塔在廢氣處理中的應(yīng)用
孫佩石等[14]進(jìn)行了生物填料塔凈化工業(yè)廢氣中甲苯的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)采用低濃度的甲苯為研究對(duì)象，分別探究了陶粒、瓷環(huán)、塑料環(huán)以及不銹鋼環(huán)的性能參數(shù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：陶粒是一種較好的處理工業(yè)廢氣填料塔的理想填料；
并且對(duì)于四種填料的綜合性能進(jìn)行了比較：陶粒于瓷環(huán)、不銹鋼環(huán)、塑料環(huán)。目前我國(guó)對(duì)于高濃度工業(yè)廢氣的處理方式較多，例如吸附法、吸收法。但是對(duì)于低濃度的廢氣處理方式較單一且有更多的技術(shù)瓶頸，相對(duì)來(lái)說(shuō)處理難度較大，也是世界處理三廢中的技術(shù)難題。生物法為處理工業(yè)低濃度廢氣帶來(lái)了福音，也是目前處理廢氣領(lǐng)域的一項(xiàng)新型技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注與應(yīng)用。麥穗海等[15]關(guān)于污水廠泵中利用填料塔處理H2S氣體的實(shí)驗(yàn)，得出填料塔對(duì)于有害氣體的去法完全可行，并且在一定程度下提高相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件可以加速H2S的。對(duì)于填料塔的研究國(guó)外已經(jīng)擁有相當(dāng)成熟的技術(shù)，生物填料塔中的填料作為整個(gè)設(shè)備的核心，經(jīng)過(guò)一個(gè)世紀(jì)時(shí)間的積累沉淀，生物填料塔技術(shù)突飛猛進(jìn)，近半個(gè)世紀(jì)，國(guó)外的許多學(xué)者對(duì)于生物填料塔高濃度的傳輸效率以及降解速率提高方面進(jìn)行了深入的研究與探索。世界各地對(duì)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求一直在提高，面對(duì)新的水處理要求和挑戰(zhàn)，新工藝的發(fā)現(xiàn)讓這些成熟的生物膜反應(yīng)器類型迎來(lái)了新的機(jī)遇。

4填料塔的內(nèi)部構(gòu)件

填料塔的內(nèi)部構(gòu)件主要有填料的承托層、液體噴淋裝置、密封裝置等。填料塔內(nèi)部構(gòu)件設(shè)計(jì)的合理性以及選型的準(zhǔn)確性和正確性，對(duì)于保障填料塔正常操作運(yùn)行提供了穩(wěn)固的平臺(tái)。

4.1承托層填料塔承托層裝置是安裝在填料層的底部，塔發(fā)揮著填料從承托層上落下；承托層支撐這整個(gè)填料塔中填料的重量；承托層上保證一定的開孔比，便于氣體和液體能夠順利的通過(guò)。承托層需要保證相對(duì)高的強(qiáng)度以及剛度要求，并且設(shè)置承托層需要滿足結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組裝方便，材料的耐腐蝕性要強(qiáng)。承托層的選取主要考慮塔的直徑、填料的特性、材質(zhì)、氣流的速率等。塔密封裝置設(shè)置于塔體的頂部，目的是塔上方雜物的落入，避免其他微生物對(duì)塔中反應(yīng)的影響，其次也很好地保證填料塔運(yùn)行的穩(wěn)定性和暢通性。

4.2液體噴淋裝置液體噴淋裝置設(shè)置在填料層的上面。從開始的壓力噴淋到如今良性能的槽式液體噴淋器，液體分布更加均勻，結(jié)構(gòu)也越來(lái)越精細(xì)化。一方面充當(dāng)填料層的壓緊裝置，填料由于氣流流速過(guò)大而沖出塔體，避免填料層的松動(dòng)而影響實(shí)驗(yàn)的后續(xù)工作的發(fā)生；另一方面將事先注入的液體以及回流的液體均勻噴淋在填料的表面，從而構(gòu)成原始的液體分布，液體噴淋裝置常設(shè)置相應(yīng)的開孔系數(shù)以此保證氣體和液體能自由通過(guò)。填料塔作為氣液兩相逆向流傳輸?shù)闹匾O(shè)備，其結(jié)構(gòu)和安裝較簡(jiǎn)單。填料塔的底部設(shè)置有一定開孔比的承托層以支持填料塔中的填料，它的作用是允許氣體與液體通過(guò)。承托層上面的填料有亂堆與整砌兩種形式。填料層的上方設(shè)有一定開孔比的槽式噴淋板，根據(jù)安裝的差異分為三種：全可拆式、局部可拆式、全焊接式。其作用是使得液體均勻地噴淋在填料上。

5結(jié)論
隨著生產(chǎn)水平的不斷提高，生產(chǎn)逐步向大型化發(fā)展，近幾年填料塔的直徑已經(jīng)由原來(lái)的幾毫米到如今超過(guò)1m，填料塔規(guī)格的大幅提升打破了填料塔只適用于小直徑尺寸的舊觀點(diǎn)。對(duì)此，相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者著力研究填料塔的放大規(guī)律，并且更加側(cè)重于填料流體傳輸性能和氣液兩相分布的研究。起初學(xué)者對(duì)于新型填料的開發(fā)十分熱忱，相繼開發(fā)了許多新型填料，如：拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、階梯環(huán)、矩鞍型填料。近幾年來(lái)，研究學(xué)者更青睞于液體噴淋裝置的布置以及氣液分布器的分布的研究與開發(fā)，因此對(duì)于填料塔大尺寸的實(shí)現(xiàn)提供了先決條件，相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，直徑較大填料塔的氣、液兩相通透性以及流體傳輸性能與填料層的堆積高度無(wú)關(guān)，并且實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證較大直徑的填料塔只要滿足液體均勻流動(dòng)，即可符合流體的流動(dòng)分布不受填料層高度限制的說(shuō)法，填料塔的發(fā)展為新型填料市場(chǎng)的開拓提供了一個(gè)得天獨(dú)厚的條件，更進(jìn)一步的探索與革新拉開帷幕。