氣升式環流流化床光催化反應器的製作方法

2023-05-21 11:38:16 1

專利名稱：氣升式環流流化床光催化反應器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及流化床反應器領域，尤其是一種用於處理揮發性有機汙染物(VOCs)的氣升式環流流化床光催化反應器。
背景技術：
根據世界衛生組織(WT0，1989)的定義，揮發性有機化合物(Volatile organiccompounds，簡稱VOCs)是一類熔點低於室溫而沸點在5(Γ250攝氏度之間的揮發性有機化 合物。VOC廣泛存在於我們生活之中，主要來源於各種塗料和粘合劑、人造板材、木器家具和油漆、塑料產品、地毯、皮革、油墨、燃料等。經檢測新裝修的室內含有100種以上的V0C，其中濃度較高的是甲醛、乙醛、苯、甲苯、氯代烴等，這些VOCs已被懷疑或確定為致癌物質或致胎兒畸形。當環境中含有較高濃度的VOCs，人們會感到如頭痛、乏力、昏昏欲睡、眼睛乾澀、呼吸道刺激等不舒服的感覺。因此，VOCs已經成為人類特別是城市生活的人類生病的主要原因之一。為了解決VOCs給人們健康帶來的惡劣影響，世界上許多國家制定了針對VOCs含量限制的法律法規。歐盟限制一定活動或設備安裝中使用有機溶劑，限制油漆、室內和車內裝飾中使用揮發性有機逸散的有機溶劑。美國限制油漆、粘合劑、溶劑、木業膠水中揮發有機物逸散。我國2002年I月I日正式實施的國家強制標準《GB18582-2001室內裝飾裝修材料內牆塗料中有害物質限量》對室內VOCs含量進行限制。但是，到目前為止我國裝修後的室內VOCs含量特別是甲醛含量均超出國家標準數十倍之多。當前關於VOCs的處理方法主要有吸附、燃燒、冷凝、溼式氧化、光催化氧化、生物處理等方法。吸附法需要消耗大量吸附劑，燃燒需要提供較多熱量，冷凝需要提供超低溫環境，溼式氧化法需要提供氧化劑，生物處理法需要培養合適的微生物。光催化是一種新的廢氣淨化處理方法，光催化的原理是在光和催化劑的作用下產生羥自由基，羥自由基可分解VOC氣體。光催化具有投資少、運行費用低、停留時間短、高效、穩定、反應徹底、無二次汙染等優勢而成為研究熱點。吳亞西等利用UV/Ti02方法處理了室內空氣中常見的苯系物、烷烴、醇、醚、醛和滷代烴類取得良好的降解效果(吳亞西，陳烈賢.環境科學與技術，2003, 26:6-7)。關於光催化的研究中高效光催化反應器的設計與研究室光催化氧化技術工業化過程中需要解決的焦點問題之一。根據催化劑存在的形式不同，可將光催化反應器分為兩類一類是採用催化劑固定化技術的固定床反應器；另一類是採用粉末催化劑的懸浮式光催化反應器。流化床光催化反應器大都包括反應器殼體，反應器殼體內具有用於盛放對應的固體催化劑的反應腔，所述反應腔內設有光源，反應器殼體的頂部設有排氣口，底部設有進氣口，工作時，在所述反應腔內加入對應的催化劑，通過所述進氣口對反應腔內供氣使得催化劑達到懸浮狀態，從而與對應的氣體進行反應，反應後的氣體從所述排氣口排出。固定床反應器因催化劑固定於某特定位置而使催化活性明顯小於流化床反應器，如張彭義等利用改性Ti02方法光催化處理甲苯，流化態下去除率達88%以上，將Ti02固定與玻璃、瓷磚、日光燈上，去除率僅能達到15°/Γ30% (張彭義，梁夫豔，陳清.環境化學，2003，24 53-58)。但流因光催化劑顆粒均較小甚至是納米級，因此在現有的化床光催化反應器中使用時，極易被帶出反應器殼體之外，這一方面造成了催化劑的浪費，另一方面也使得反應無法連續進行，降低了反應器的工作效率；因此，有人在所述流化床光催化反應器的反應腔內加入對應的分散液以防止催化劑被氣體帶出，加入分散液後，雖然有效地防止了催化劑被帶出的問題的發生，但是，由於分散液的作用，使得固體催化劑分散不均、團聚及沉積的情況時有發生，這則從另一方面影響了反應器的反應效率。
發明內容本實用新型的目的在於提供一種氣升式環流流化床光催化反應器，以解決現有的使用分散液的流化床光催化反應器的催化劑分散不均的問題。為了解決上述問題，本實用新型的氣升式環流流化床光催化反應器採用以下技術方案一種氣升式環流流化床光催化反應器，包括具有反應腔及進、出氣口的反應器殼體，所述反應腔內設有光源，反應腔內立設有兩端開口的導流筒，所述導流筒內於兩端之間具 有升流通道，導流筒的外壁面與反應器殼體的內壁面之間圍成環形的降流通道，所述升、降流通道上、下端分別連通並形成循環通道，反應器殼體的進氣口與導流筒的下埠正對設置且不大於導流筒的下埠，所述光源設於導流筒內。所述反應器殼體的進、出氣口對應連通有供、排氣管，所述供氣管上於其進氣口和反應器殼體之間設有分支進氣口，排氣管上於其排氣口和反應器殼體之間設有分支排氣口，所述的分支進氣口與一設於反應器殼體外部的氣泵的出氣口連接，所述氣泵的進氣口與所述分支排氣口連接。所述供氣管的進氣口與分支進氣口、排氣管的排氣口與分支排氣口之間對應設有供、排氣開關閥。所述導流筒與反應器殼體同軸設置且導流筒的筒壁從上向下呈折線形延伸。所述導流筒與反應器殼體同軸設置，所述升流通道上下端之間的容積與所述降流通道上下端之間的容積相等。所述導流筒的下端面與反應器殼體的內壁面圍成一環形的回流口，所述回流口的開口面積與導流筒的下埠的開口面積相等。所述分布器殼體底部於其進氣口上遊設有氣體分布器，所述氣體分布器具有布氣噴頭，所述布氣噴頭的上端延伸至所述導流筒圈定的範圍內且不低於導流筒的下端。所述布氣噴頭由位於上端的金屬燒結頭及連接於所述金屬燒結頭下端的不鏽鋼管構成。所述反應器殼體上同軸套設有保溫套筒，所述保溫套筒與反應器殼體構成夾層結構且與反應器殼體的外壁面之間圍成一保溫介質腔，保溫套筒的下部、上部對應設有與所述保溫介質腔相通的進、出水口。所述反應器殼體的進氣口由設於反應器殼體側壁下端的內翻沿圍成，所述的內翻沿與反應器殼體的側壁之間通過圓弧平滑過渡連接。由於本實用新型的氣升式環流流化床光催化反應器於其反應腔內設有所述導流筒，反應器殼體的進氣口與導流筒的下埠正對設置且不大於導流筒的下埠 ；因此，在使用時，可首先在所述的反應腔內裝入對應的固體催化劑及分散液，然後通過所述進氣口對反應器殼體內供氣，由於反應器殼體的進氣口不大於導流筒的下埠，因此進入反應腔內的氣體首先從導流筒內上升並帶動分散液流動，最終使得反應腔內於導流筒的內外形成循環環流，從而可使得催化劑和分散液之間能夠充分混合併與氣體接觸，解決了現有的使用分散液的流化床光催化反應器的催化劑分散不均的問題。

圖I是氣升式環流流化床光催化反應器的實施例I的結構示意圖；圖2是圖I中的布氣噴頭的結構示意圖。
具體實施方式
氣升式環流流化床光催化反應器的實施例1，如圖1-2所示，具有反應器殼體1，反應器殼體I為圓筒形反應器殼體且於內部設有反應腔，反應腔用於在反應器工作時裝入固體催化劑(本實施例中為納米催化顆粒，如Ti02、ZnO、Sn02、CdS, Fe/ Ti02、Cu/ Ti02、Pt/Ti02、La/Ti02、Nd/Ti02)及分散液(本實施例中為去離子水)，反應腔內立設有兩端開口的導流筒2，導流筒2的筒壁在上下方向上呈鋸齒形延伸且與反應器殼體I同軸設置，另外，導流筒2的外壁面及上、下端面均與反應器殼體I的內壁面之間具有間距，導流筒2通過其筒壁將反應器殼體I的反應腔等分為二，具體地說，即導流筒2圈定的範圍佔反應腔的容積的一半，從而使得反應腔被劃分為位於導流筒2內的升流通道及位於導流筒2的外壁面與反應器殼體I的內壁面之間的降流通道，升流通道和降流通道的上、下端分別通過導流筒2上、下端面與反應器殼體內壁面之間的間隙連通，從而使得升流通道和降流通道在反應腔內構成一循環通道，其中導流筒2的下端面與反應器殼體I的內壁面之間圍成一環形的回流口，該回流口的開口面積與導流筒2的下埠面積相等，反應器殼體I的底部具有進氣口並於進氣口上遊設有氣體分布器，其中反應器殼體I的進氣口由設於反應器殼體I下端的內翻1-1沿圍成，所述內翻沿1-1與反應器殼體I的側壁之間以圓弧過渡平滑連接，從而有效地避免了催化劑在反應器底部的積聚，反應器殼體I的進氣口的開口面積不大於導流筒2的下埠的開口面積且與導流筒2的下埠正對設置，從而可使得從進氣口進入到反應腔內的氣體均經過所述升流通道上升並帶動催化劑和分散液上升，當分散液上升至導流筒2的最高點時開始在重力作用下通過導流筒2的上端面與反應器殼體I內壁面之間的間隙從所述降流通道流下並最終從所述回流口流回導流筒2，從而形成循環的環流並不斷流動，尤其是導流筒2的筒壁從上到下呈折線形延伸，因此可形成各向同性紊流，增大氣體與催化劑的接觸面積，增大傳質面積，有效地避免了催化劑的團聚和沉積，同時使得催化劑與分散液充分混合，解決了催化劑分布不均的問題，本實施例中，導流筒的筒壁上對應的相鄰兩折線等長，從而使得相鄰兩折線互相遠離的一端連接後形成以兩折線為腰的等腰三角形；氣體分布器具有分布器殼體3，分布器殼體3的上端設有帶孔的分布器基板4並通過分布器基板4與反應器殼體I固定連接，分布器基板4與分布器殼體3之間圍成一氣室,分布器殼體3上設有供氣管5，供氣管5的進氣口與反應器殼體I之間設有分支進氣口且於進氣口和分支進氣口之間設有供氣開關閥6，分布器基板4的上表面上設有布氣噴頭7，布氣噴頭7通過分布器基板4上的通孔與分布器殼體3的氣室相通，布氣噴頭7由固定設置於分布器基板4上的不鏽鋼管7-1及設於各不鏽鋼管上端的金屬燒結頭7-2構成，金屬燒結頭7-2起到過濾作用，可有效地防止反應腔內的催化劑逆流至氣體分布器內，金屬燒結頭7-2的上端延伸至導流筒2圈定的範圍內並且其高度不低於導流筒2的下端高度，從而保證從氣體分布器供入的氣體順利進入導流筒2內；反應器殼體I的底部還設有卸料管8，卸料管8穿過氣體分布器並延伸至氣體分布器以下的位置；反應器殼體I的外部同軸套設有保溫套筒9，保溫套筒9與反應器殼體I構成夾層結構，具體地說，即保溫套筒的內壁面與反應器殼體的外壁面之間圍成一保溫介質腔，保溫介質腔用於供冷凝水(其它實施例中也可是用於加熱的熱水)流過以保持反應器殼體I內的溫度，從而防止因溫度升高而降低催化劑的活性；反應器殼體I的上端處具有一反應器擴大段10，反應器擴大段10頂部蓋設有頂部支撐板11，頂部支撐板11上設有延伸至反應腔內的光源12及套設於光源12外部的光源保護管
13，其中光源12採用棒狀的紫外線燈管，光源保護管13採用一端開口的石英管，光源保護管13的上端為開口端且通過一密封卡環固定裝配於頂部支撐板11上，光源保護管13的下端通過設於分布器基板4上的一密封卡環固定，頂部支撐板11上設有加料接頭14及與光源保護管的開口相通的光源裝入孔，加料接頭14上設有加料開關閥；反應器殼體I的出氣口設於頂部支撐板11上，頂部支撐板11上設有與反應器殼體I的出氣口相通的排氣管15，排氣管15上於其排氣口和反應器殼體之間設有分支排氣口並通過所述分支排氣口與一氣泵16的進氣口連接，排氣管15的排氣口與分支排氣口之間設有排氣開關閥17，氣泵16設於反應器殼體I的外部，氣泵16的出氣口與氣體分布器的進氣管連通且與進氣管之間設有進氣開關閥18，從而實現了氣泵與分布器殼體的進氣口的連接。工作時，可在所述排氣管的排氣口處設置對應的檢測裝置；首先關閉所述供氣開關閥、排氣開關閥和卸料管，將含有催化劑和去離子水的漿料由加料接頭加入反應器中，力口入高度與導流筒高度相同；然後關閉加料接頭，打開氣泵，氣泵將反應器擴大段內的氣體輸送到反應器底部，並推動導流筒內的漿液向上運動，漿液到達導流筒的最上端後通過所述降流通道向下運動，反應器內的漿料會膨脹並越過導流筒形成內循環，然後打開保溫套筒的進水開關閥和出水開關閥並連續引入冷凝水，打開光源，使漿液循環達到平衡；最後通過供氣管的進氣口向反應器內注入待處理的氣體(含有VOCs的氣體)，打開排氣開關閥，通過檢測測定排氣管排氣口處的VOCs含量並調整供入的氣量和氣泵，直至被處理的氣體達到排放值後排出。
權利要求1.ー種氣升式環流流化床光催化反應器，包括具有反應腔及進、出氣ロ的反應器殼體，所述反應腔內設有光源，其特徵在於，反應腔內立設有兩端開ロ的導流筒，所述導流筒內於兩端之間具有升流通道，導流筒的外壁面與反應器殼體的內壁面之間圍成環形的降流通道，所述升、降流通道上、下端分別連通並形成循環通道，反應器殼體的進氣ロ與導流筒的下端ロ正對設置且不大於導流筒的下端ロ，所述光源設於導流筒內。
2.根據權利要求I所述的氣升式環流流化床光催化反應器，其特徵在於，所述反應器殼體的進、出氣ロ對應連通有供、排氣管，所述供氣管上於其進氣口和反應器殼體之間設有分支進氣ロ，排氣管上於其排氣ロ和反應器殼體之間設有分支排氣ロ，所述的分支進氣ロ與一設於反應器殼體外部的氣泵的出氣ロ連接，所述氣泵的進氣ロ與所述分支排氣ロ連接。
3.根據權利要求2所述的氣升式環流流化床光催化反應器，其特徵在幹，所述供氣管的進氣ロ與分支進氣ロ、排氣管的排氣ロ與分支排氣ロ之間對應設有供、排氣開關閥。
4.根據權利要求I所述的氣升式環流流化床光催化反應器，其特徵在於，所述導流筒與反應器殼體同軸設置且導流筒的筒壁從上向下呈折線形延伸。
5.根據權利要求I所述的氣升式環流流化床光催化反應器，其特徵在於，所述導流筒與反應器殼體同軸設置，所述升流通道上下端之間的容積與所述降流通道上下端之間的容積相等。
6.根據權利要求I所述的氣升式環流流化床光催化反應器，其特徵在於，所述導流筒的下端面與反應器殼體的內壁面圍成ー環形的回流ロ，所述回流ロ的開ロ面積與導流筒的下端ロ的開ロ面積相等。
7.根據權利要求I所述的氣升式環流流化床光催化反應器，其特徵在於，所述分布器殼體底部於其進氣ロ上遊設有氣體分布器，所述氣體分布器具有布氣噴頭，所述布氣噴頭的上端延伸至所述導流筒圈定的範圍內且不低於導流筒的下端。
8.根據權利要求7所述的氣升式環流流化床光催化反應器，其特徵在幹，所述布氣噴頭由位於上端的金屬燒結頭及連接於所述金屬燒結頭下端的不鏽鋼管構成。
9.根據權利要求I所述的氣升式環流流化床光催化反應器，其特徵在於，所述反應器殼體上同軸套設有保溫套筒，所述保溫套筒與反應器殼體構成夾層結構且與反應器殼體的外壁面之間圍成一保溫介質腔，保溫套筒的下部、上部對應設有與所述保溫介質腔相通的進、出水ロ。
10.根據權利要求I所述的氣升式環流流化床光催化反應器，其特徵在於，所述反應器殼體的進氣ロ由設於反應器殼體側壁下端的內翻沿圍成，所述的內翻沿與反應器殼體的側壁之間通過圓弧平滑過渡連接。
專利摘要本實用新型涉及一種氣升式環流流化床光催化反應器，包括具有反應腔及進、出氣口的反應器殼體，反應腔內設有光源，反應腔內立設有兩端開口的導流筒，所述導流筒內於兩端之間具有升流通道，導流筒的外壁面與反應器殼體的內壁面之間圍成環形的降流通道，所述升、降流通道上、下端分別連通並形成循環通道，反應器殼體的進氣口與導流筒的下埠正對設置且不大於導流筒的下埠，所述光源設於導流筒內；由於反應器殼體的進氣口不大於導流筒的下埠，因此可使得反應腔內於導流筒的內外形成循環環流，從而可使得催化劑和分散液之間能夠充分混合併與氣體接觸，解決了現有的使用分散液的流化床光催化反應器的催化劑分散不均的問題。
文檔編號B01D53/44GK202410515SQ20112052590
公開日2012年9月5日 申請日期2011年12月15日 優先權日2011年12月15日
發明者徐航, 李梅, 李欣, 湯紅妍, 魏學峰 申請人:河南科技大學