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反应器设计水污染治理—三相流化床光催化反应器设计2015年12月6日班级：化工材料2班姓名：学号：3012指导老师：王富民水污染治理－光催化反应器设计1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.课程建议..........................................................................................................................15水污染治理－光催化反应器设计2水污染治理—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，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：水污染治理－光催化反应器设计3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等将一种向下水污染治理－光催化反应器设计4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操作方式。与其它装置相比，CDCR具有如下优点：①动力消耗低；②体积小；③在不降低传质效率的条件下容易放大；④氧气利用率高；⑤装置内无移动部件，结构简单；⑥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。图1悬浮式反应器结构示意图图2平板型光催化反应器2.2固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，具有水污染治理－光催化反应器设计5良好的应用前景，但其水力负荷较低，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，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