天津大学反应器设计

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1、水污染治理一三相流化床光催化反应器设计班级：化工材料2班姓名：学号：3012指导老师：2015年12月6日目录1. 设计背景22. 反应器类型的选择22.1悬浮式光催化反应器32.1.1间歇操作的悬浮式反应器32.1.2并流接触循环流动式反应器32.2固定床光催化反应器42.2.1平板式光催化反应器42.2.2浅池式光催化反应器52.2.3管式光催化反应器52.3流化床光催化反应器63. 数据来源和基础实验74. 反应器结构分析85. 纳米二氧化钛光催化动力学特征96. 反应器大小计算107. 起始流化速度138. 三相流化床光催化反应器中各相的流化方式的分析149. 参考文献1410. 课程

2、建议15水污染治理一三相流化床光催化反应器设计1. 设计背景从半导体光催化提出以来，其作为一种处理环境污染物的有效手段已经成为 环境治理和保护工作者的研究重点，其中主要研究方向为催化剂的负载和反应器 的设计1。在众多半导体光催化剂中，二氧化钛以其无毒、催化活性高、氧化能 力强，较为稳定的优点成为最为常用的一种；同时，纳米级二氧化钛粉末作为一 种新型、高效的半导体光催化剂又具有高比表面积，高比表面能的特点，使其氧 化还原电势增大，光催化活性得到显著提高。利用二氧化钛作为光催化剂降解有机污染物已逐渐由实验研究转向实际应 用的研究，光催化氧化法的大规模应用需要解决的主要技术问题是二氧化钛催化 剂的固

3、定化以及与之相应的结构简单、效率高、可长期稳定运行的反应器的设计。 光催化反应器设计的问题远比传统的化学反应器复杂。除了涉及质量传递与混合、 反应物与催化剂的接触、流动方式、反应动力学、催化剂的安装、温度控制等问 题外，还必须考虑光辐射这一重要因素。催化剂只有吸收适当的光子才能被激活 而具有催化活性，为了提供尽可能多的激活的光催化剂，光反应器必须能提供尽 可能大的而且是能被光照射的催化剂比表面积。为了减少反应器的体积，还要求 单位体积的反应器提供尽可能大的安装催化剂的空间。2. 反应器类型的选择将催化剂固定在载体上，制成负载型光催化反应器已成为主要的研究方向。 将Ti02负载后可将其作为固定相

4、，待处理废水或气体作为流动相，一般不存在后 处理问题，可实现连续化处理，便于设计出各种实用化、商品化、工业化的光化 学反应器。目前对光催化反应器尚无明确、统一的分类，根据结构、工作状态等，负载 型光催化反应器分类可有以下几种方式2：（1）按照Ti02光催化剂的存在形式：可将反应器分为悬浮型和负载型两大类。悬浮型就是将催化剂粉末分布在溶 液中，形成悬浮液的悬浮型光催化反应器。负载型主要是将催化剂负载在某种载 体上面的反应器。（2）按其床层状态：可分为固定床型和流化床型两种。前者为具有较大连续表面积的载体，将催 化剂负载其上，流动相流过表面发生反应。后者多适合于颗粒状载体，负载后仍 能随流动相发生

5、翻滚、迁移等，但载体颗粒较Ti02纳米粒子大得多，易与反应物 分离，可用滤片将其封存于光催化反应器中而实现连续化处理。（3）光催化反应器按照光源的照射方式不同：可分为聚光式和非聚光式反应器。聚光式反应器一般是将光源置于反应器的 中央，反应器成环状。这种反应器的光源多以人工光源作为光源，光效率较高， 但因光催化反应较缓慢，因此耗电量巨大。非聚光式反应器的光源可以是人工的 也可是天然的太阳光，一般为垂直反应面进行照射。因此，反应面积较聚光式反 应器的反应面积大得多。2.1悬浮式光催化反应器虽然，悬浮式反应器涉及催化剂回收的问题，但仍有不少研究。设计上主要 致力于提高光的利用率。具有代表性的反应器有

6、以下几种3：2.1.1间歇操作的悬浮式反应器间歇操作的悬浮式反应器如图1所示。反应器主体是石英玻璃容器，以及用 其作为基础改形而成的反应器有好几种形式。反应所用的催化剂可以是粉体，也 可是固定于载体上的固定化催化剂。反应温度可调。此类反应器特点是：操作简 单方便，仅需一段时间将反应器内液体排空，井停止一段时间使催化剂恢复光催 化活性。2.1.2并流接触循环流动式反应器并流接触循环流动式反应器，在颗粒悬浮式反应器中，液一气两相间传质过 程有时为光催化氧化反应速率的限制步骤，为此，J.M. Winlerbllon等将一种向下并流接触反应器（CDCR）用于苯酚废水的光催化氧化处理，采用完全循环的间歇

7、 操作方式。与其它装置相比，CDCR具有如下优点：动力消耗低；体积小； 在不降低传质效率的条件下容易放大;氧气利用率高;装置内无移动部件， 结构简单；可容纳颗粒物，适宜于浆状化学反应。悬浮床反应器存在催化剂易流失以及需要增加催化剂分离和回收的后序装置，并有消耗能量的缺点，使其在实际应用中受到一定限制。2.2图1悬浮式反应器结构示意图图2平板型光催化反应器.紫外句t 2,冷部水入匚h 3,冷却 水出口： A通气口： 5.采样口。定床光催化反应器固定床光催化反应器是目前研究较多的负载型光反应器，通过化学反应将 Ti02粉体固定于大的连续表面积的载体上，反应液在其表面连续流过。固定床的 类型主要有平

8、板式、浅池式、管式和光学纤维束式等几种。2.2.1平板式光催化反应器反应器的主体为矩形不锈钢板，板上部设有布水管，延管长方向均匀分布着 直径2-3mm的小孔（如图2）。反应液置于不锈钢储液罐内，内置搅拌器不断搅拌 以保证溶液充分混合，出口处连接有离心泵，通过泵使反应液流经平板，经降解 后又流回储液罐，循环流动。Ti0:用玻璃纤维网负载后固定于平板上，接受日光 照射。平板与地面成一定角度，实验条件下平板反应液的流动为层流状态。平板型光催化反应器具有较高的太阳光利用率，结构简单，不需要太阳光跟 踪系统，适合不同的气候条件，对材质无特殊要求，易于放大或工业推广，具有良好的应用前景，但其水力负荷较低，

9、很难应用于大流量污水的处理。2.2.2浅池式光催化反应器在浅池型反应器中，将Ti02负载于容器底部形成一层Ti02膜或在容器底部 铺一层负载型催化剂，反应溶液从催化剂表面流过，井在电光源的照射下发生反 应。Bedford用这种反应器处理4-氯苯酚效果很好。而由Wyness等研制开发的反 应器的规模比较大，它由一系列高度不同的浅池组成，以太阳光作为光源，负载 了Ti02的玻璃纤维网刚好浸没在水面下，与平板型反应器相比，浅池型反应器的 水力负荷要大得多，因而更有可能应用于工业污水处理。但由于光的透射能力有 限，使得反应溶液的深度不能太大，因此，要想提高反应器的处理能力，只有通 过扩大光照面积的途径

10、，这就导致了占地面积过大。2.2.3管式光催化反应器这是类型最多的一种反应器（如图3），其反应都是在透光性能较好的材料制 成的玻璃管或塑料管中进行。美国专利有一种该类较好的反应器，灯处于圆柱轴 心，水流由外环隙通过透过性膜进入内环隙，透过性膜内表面涂有Ti02等半导体 催化剂，污染流体渗透到催化剂的毛细孔中与穿过此处的氧化剂作用。这种设计 保证了催化剂内表面的充分利用，还兼顾了床层的压降。为增大内表面积，可在 反应器上安装翅片，井将催化剂负载在上面。由于电光源的反应器运行费用过高， 而用太阳光的反应器则速率较慢，人们又设计聚光系统。一般采用抛物槽或抛物 面收集起来聚焦太阳光井辐射在能透过紫外光

11、的中心管上。许多研究者认为，这 种聚焦式反应器只能利用太阳光的直射部分，然而太阳光的散射部分对催化作用 也相当重要。因此，Herrmann等设计了一种称为复合抛物面捕集器（CPC）的装置 来研究降解有机废水。这种反应器由一系列的复合抛物面捕集器组成，每个CPC 是由8个平行的、能透过紫外光的含氟聚合物管构成，每根管都带有特殊的抛物 状的反射装置。这种反应器能同时利用直射和反射两种紫外光，因而与聚焦的光 反应器相比，有较高的光效率。图3管式光催化反应器2.3流化床光催化反应器在固定床的操作范围内，由于颗粒之间没有相对的运动，床层中的流体所占 的体积分率亦即床层孔隙率是不变的。但随着流体流速的增加

12、，流体通过固定床 层的阻力将不断增加。继续增加流体流速将导致床层压降的不断增加，直到床层 压降等于单位床层截面积上的颗粒重量。此时，由于流体流动带给颗粒的曳力平 衡颗粒的重力，导致颗粒被悬浮，此时颗粒开始进入流化状态，如果继续增加流 体的流速，床层压降将不再变化，但颗粒间的距离会逐渐增加以减小由于增加流 体流量而增大的流动阻力。颗粒间的距离的增加使得颗粒可以相对运动，井使床 层具备一些类似流体的特征;比如较轻的大物体可以悬浮在床层表面;将容器倾斜 以后，床层表面自动保持水平;在容器的底部侧面开一个小孔，颗粒将自动流出 等等。这种使固体具备流体性质的现象被称之为固体流态化，相应的颗粒床层称 为流

13、化床。提高负载型光催化反应器催化效率的关键是要有尽可能大的催化剂比表面 积与充分的光照。固定床反应器虽然使催化剂固定化而易于操作，但固定化催化 剂往往只是一层薄膜，催化剂的用量不可能很大，待处理的液体或气体难以与催 化剂充分接触，存在着漫长的传质过程。因此，大规模工业化应用有一定的困难。 流化床反应器很好的解决了催化剂与反应液接触问题。流化床层载体处于不断的 流动、迁徙、翻滚状态，反应液在载体颗粒之间流动，充分利用了催化剂的表面， 使催化剂有效比表面积大大提高。同时，与悬浆式反应器相比，载体颗粒较纳米 Ti02粉体大得多，易于沉淀分离。由于流化床光反应器很适合于工业规模放大， 所以作为一种新的

14、光反应器发展方向，越来越多地受到人们的重视。流化床光催化反应器又分为内循环和外循环两种。三相内循环流化床光催化反应器的优点为：催化剂流化性能好；催化效率高；放大设计容易。在上述几种形式的反应器中，总的来讲，固定床反应器，因传质效率以及反 应有效面积相对较低，应用受到一定限制。而流化床反应器由于具有较好的传质 效果、反应面积大、光能利用率高、可连续操作且不受天气变化限制的特点，具有广阔的应用前景。3.数据来源和基础实验fl本设计的思路和数据源来自前辈对光催化治理水污染的研究，尤其是近几年 该研究不断被应用于实际生产，尽管光催化反应器还未能应用于实际生产，但是 该方面的研究对于环境保护和可持续发展

15、有着重要意义，故该设计在前人的基础 上设计了小型实验室研究反应器。该设计的实验基础如下4:采用的实验装置如图4,在石英套管中放入600w紫外灯，然后用甲基橙和P25配制成不同浓度的溶液，然后注入石英套管中，而后用紫外辐照计对365nm的波段的光强值进行测量。图4光强测定实验装置图而英套管UV耦照计U灯利用该实验可以测得光强度分布图，结合光强分布模型和甲基橙光降解脱色 本征动力学方程及停留时间分布曲线，就可以得到光反应器模型。因为甲基橙降 解曲线为直线，故可以认为其降解速率在反应过程中是不变的，又因测得反应器 中石英套管管壁光强值为0.0565W/cm，根据本征动力学方程计算得到脱色反应 速率近似为0.004/s。4.反应器结构分析气、液、固三相流化床反应器由气相、液相和固相3相组成，其中液相是连 续相，固体颗粒悬浮在气相和液相中。当固体颗粒非常小时，固体颗粒和液相是 均匀混合的。三相床反应器有许多分类方法，通常我们按照流体动力学行为，如 三相床的操作形式、流体的相对流动方向急相的连续性的不同来分类。根据固体 颗粒的流动状态可将三相床分为3个基本的操作区域：固定床、膨胀床（即流化 床）和输送床。当气体或液体的流速很低时，流体只是穿过静止的固体颗粒之间的空隙，此 时的反应器称之为固定床反应器。随着流体流速的增加，颗粒开始被流体悬浮。