CN102689940A - 一种流化床光催化反应器及其气体分布器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种流化床光催化反应器及其气体分布器，流化床光催化反应器包括筒形的壳体主体，所述壳体主体的下端装配有气体分布器，所述气体分布器包括呈筒形且上端开口、下端封口的分布器壳体，壳体主体的下端与分布器壳体的开口端固定密封配合，分布器壳体的上、下端之间隔设有反射弧板并于所述反射弧板的上方设有分气主管及与分气主管对应贯通的分气环管，所述反射弧板与壳体的封口端之间围成气体缓冲室，分布器壳体的封口端上设有与所述气体缓冲室相通的进气主管，反射弧板上设有连通于所述分气主管和气体缓冲室之间的气体桥接管；解决了现有的流化床反应器的气体分布器因供气速度不稳定而引起的布气不均的问题。
Description
技术领域
本发明涉及光催化反应污水处理技术领域，尤其是一种气-液-固三相流化床光催化反应器及其分布器。
背景技术
随着现代经济的飞速发展，人类正面临着越来越严重的环境污染的危机，大量的有毒有害且难自然降解的化学物质被排放到环境中特别是水中，给人民生活和人类健康带来了很大的危害。美国著名的海洋生物学家Rachel Carson在《寂静的春天》一书中重点介绍杀虫剂在自然环境中的迁移以及它所带来的特别是对自然环境和人类种种危害。怎样处理含有毒有害的被污染的水体是环境领域的研究热点。为了解决这些问题，人们已经研究采用了许多方法，如：相转移法，生物处理、热处理法、催化氧化法，以及采用高锰酸钾、臭氧、过氧化氢水溶液等的化学氧化法、高能紫外线处理法。然而，它们都有很大的局限性，如成本高、处理不彻底等，还有一些工业生产排放和废弃的有机化合物，在生物处理时发现不仅不能被微生物分解，还能杀死微生物，而更有一些在处理时生成了毒性更大的中间体，这类物质被称为特征污染物。为解决以上问题，研究者开发研制了许多方法去解决这些问题，其中光催化氧化法就是其中重要的一种。
光催化氧化降解水体中有机污染物的研究已成为环境科学与工程领域的一个热点。它的作用机理是：采用半导体材料作催化剂，当达到半导体禁带宽度能量的光子照射到了表面就会使半导体内的电子（e-）激发，从价带跃迁到导带，形成空穴（h+），光生空穴具有很强的电子能，能经过一系列复杂的氧化还原反应，最终使各种含碳的有机物生成CO2和H2O，同时生成各种无害的阴离子如Cl-、SO42-、NO3-。大量的实验研究结果表明，由于光催化氧化技术具有能耗低、操作简便、反应条件温和、可以减少二次污染的突出优点，能有效地将有机污染物转化为无机小分子物质，从而达到完全无机化的目的。尤其利用此方法还可以有效的去除许多难降解或用其他方法难以去除的物质，如染料、氯仿、多氯联苯、有机磷化合物、多环芳烃等，因而是处理有毒有机废水最有前途的方法之一，被称为“绿色技术”和“环境友好技术”。另外，光催化氧化技术具有停留时间短的优势，相比较生化处理方法可节省当量的固定投资。因此光催化氧化技术因其适用范围广（几乎能有效处理各类高浓度有机废水，特别适合于毒性大、难于用常规方法处理的各类废水），处理效率高（选择合适的温度、压力、催化剂和反应时间，降解效率可以达到99%），二次污染低（排出的废气主要是N2、H2O、CO2，只有很少量的挥发性有机物和CO，不产生SO2、NOx），氧化速率快、反应装置小，运行成本低（不到焚烧法的约1/3）等特点，有望成为企业环境污染控制重要手段之一。
当前高效光催化反应器的设计是光催化技术工业化过程中的重点问题之一。依据催化剂在反应器内存在的形式可将光催化反应器分为催化剂固定化的固定床光催化反应器和催化剂悬浮态的流化床光催化反应器。固定化反应器虽然不存在后续催化剂分离的问题，但是效率很低，而流化床反应器的效率要远大于固定床反应器，当然催化剂回收可利用常规的液固分离的方法进行解决。刘红等（授权公告号：CN201079737Y）和尤宏等（授权公开号：CN2591028Y）设计了一种三相内循环流化床光催化反应器。吉芳英等（公开号：CN101450299A）设计了一种螺旋升流塔式光催化反应器。流化床光催化反应器是一个气-液-固三相反应器，这种反应器最关键的问题是反应器底部气体分布，设计合理的气体分布器是保证气体在反应器内均匀分布的重要部件。在气-液-固三相流化床气体分布器使用过程中主要存在的问题是气体在反应器内分布不均造成催化剂颗粒的局部团聚或在底部沉积影响催化效果，当供气压力不稳、气量不稳或中断时出现固体催化剂在反应器底部沉积，浆液逆流进入进气管道特别是催化剂进入进气管道中会阻塞管道，分布器喷嘴堵塞，催化剂沉积后团聚严重无法恢复纳米水平的催化效率等问题，这些问题的解决对设计高效光催化反应器而言是非常重要的。
申请号为200920024129.0的中国专利公开了一种流化床反应器的气体分布器，该气体分布器包括分布其壳体，所述分布器壳体内上设有贯通内外的分气主管，所述分气主管有两根且关于分布器壳体的轴线对称设置，两分气主管上设有环形的分气环管，所述分气环管围成的环的轴线与分布器壳体的轴线共线，分气环管沿周向于下侧管壁上布设有布气喷头；各布气喷头具有斜向下设置的喷口，分布其壳体内设有与所述的喷口相对设置的反射板。上述气体分布器在一定程度上实现了对流化床反应器内的均匀布气，缓解了流化床反应器在气流压力不稳或供气中断时的阻塞、逆流和固体沉积问题；但是由于所述的两分气主管在使用时均是直接与气源连接，当气源的气量或气速突变，尤其是突然小时，仍然会造成气体分布器出气量及出气速度的瞬变，这仍然会使得气体分布器的布气不均，一方面降低了对应流化床反应器的催化效率，另一方面则极易因反应器内的液体逆流而引起分气主管堵塞。
发明内容
本发明的目的在于提供一种流化床光催化反应器，以解决现有的流化床光催化反应器的气体分布器因供气速度不稳定而引起的布气不均的问题；同时本发明的目的还在于提供上述流化床反应器的气体分布器。
为了解决上述问题，本发明的流化床光催化反应器采用以下技术方案：一种流化床光催化反应器，包括筒形的壳体主体，所述壳体主体的下端装配有气体分布器，所述气体分布器包括呈筒形且上端开口、下端封口的分布器壳体，壳体主体的下端与分布器壳体的开口端固定密封配合，分布器壳体的上、下端之间隔设有反射弧板并于所述反射弧板的上方设有分气主管，所述反射弧板与壳体的封口端之间围成气体缓冲室，分布器壳体的封口端上设有与所述气体缓冲室相通的进气主管，反射弧板上设有连通于所述分气主管和气体缓冲室之间的气体桥接管。
所述进气主管同轴立设于分布其壳体的封口端处，进气主管的上端延伸至所述气体缓冲室之内且固定连接有两个以上沿径向发散的翼管，所述翼管上架设有布气环管，所述布气环管和进气主管通过所述翼管导通，布气环管沿周向于上侧面上布设有布气孔。
所述分气主管上固定设置有分气环管，所述的分气环管与分气主管相通，分气环管沿周向于下侧管壁上布设有布气喷头，所述各布气喷头具有朝向所述反射弧板的喷口并于所述喷口处设有金属烧结头。
所述分气环管有两个以上且同轴设置，相邻两分气环管中在分布器壳体的径向上位于外侧的一个的管径大于另一个的管径。
所述分气主管有两个，两分气主管关于分布器壳体的中心线对称设置，所述各分气环管均以其各自的同时垂直于两分气主管的直径为界分为第一半环和第二半环，位于同一第一半环上的两布气喷头中离该第一半环上的分气主管近的一个的内径小于另一个的内径，位于同一第二半环上的两布气喷头中离该第二半环上的分气主管近的一个的内径小于另一个的内径。
本发明的气体分布器采用以下技术方案：一种气体分布器，包括呈筒形且上端开口、下端封口的分布器壳体，分布器壳体的上、下端之间隔设有反射弧板并于所述反射弧板的上方设有分气主管，所述反射弧板与壳体的封口端之间围成气体缓冲室，分布器壳体的封口端上设有与所述气体缓冲室相通的进气主管，反射弧板上设有连通于所述分气主管和气体缓冲室之间的气体桥接管。
所述进气主管同轴立设于分布其壳体的封口端处，进气主管的上端延伸至所述气体缓冲室之内且固定连接有两个以上沿径向发散的翼管，所述翼管上架设有布气环管，所述布气环管和进气主管通过所述翼管导通，布气环管沿周向于上侧面上布设有布气孔。
所述分气主管上固定设置有分气环管，所述的分气环管与分气主管相通，分气环管沿周向于下侧管壁上布设有布气喷头，所述各布气喷头具有朝向所述反射弧板的喷口并于所述喷口处设有金属烧结头。
所述分气环管有两个以上且同轴设置，相邻两分气环管中在分布器壳体的径向上位于外侧的一个的管径大于另一个的管径。
所述分气主管有两个，两分气主管关于分布器壳体的中心线对称设置，所述各分气环管均以其各自的同时垂直于两分气主管的直径为界分为第一半环和第二半环，位于同一第一半环上的两布气喷头中离该第一半环上的分气主管近的一个的内径小于另一个的内径，位于同一第二半环上的两布气喷头中离该第二半环上的分气主管近的一个的内径小于另一个的内径。
由于本发明的流化床光催化反应器通过所述的反射弧板将所述的分布器壳体上下分割，且反射弧板与分布器壳体的封口端之间围成了所述气体缓冲室，分布器壳体的封口端处设有与所述气体缓冲室贯通的进气主管，因此，在反应器工作时，可通过所述进气主管与对应的气源连接，气体在进入所述分气主管之前首先在所述气体缓冲室内得到缓冲，使得气体的流速均匀，防止因进入分气主管的气流的流速突变而引起分布器的布气不均的问题，同时可避免因气速突然减弱而引起反应器内的液体逆流至进气主管内；解决了现有的流化床反应器的气体分布器因供气速度不稳定而引起的布气不均的问题。
附图说明
图1是本发明的流化床光催化反应器的实施例1的结构示意图；
图2是图1中的气体分布器的结构示意图；
图3是图1中的布气喷头的结构示意图；
图4是图1中的光源的分布示意图；
图5是图1中的进气主管、翼管及布气环管的配合示意图；
图6是气体分布器的实施例1的结构示意图；
图7是图6的俯视图；
图8是图6中的布气喷头的结构示意图；
图9是图6中的进气主管、翼管及布气环管的配合示意图。
具体实施方式
流化床光催化反应器的实施例1，如图1-5所示，具有筒形的壳体主体1，壳体主体1的外轮廓呈筒形，壳体主体1的上端邻接有壳体扩大段2，壳体主体1与壳体扩大段2的邻接处形成锥台形，从而使得壳体主体1和壳体扩大段2的外轮廓呈阶梯轴形，壳体主体1的上端处设有顶部支撑板3，顶部支撑板3上固定装配有光源4，光源4采用沿竖向平行设置的棒状紫外灯，各光源4的上端均连接有电线5，本实施例中，光源有七个，七个光源中的一个与壳体主体1同心设置，其余六个呈以另外一个为中心的正六边形分布，具体地说，该六个光源分别位于同一正六边形的六个顶点上，另外一个光源位于该六个光源形成的正六边形的外接圆的圆心上，各光源4的外部均套设有透明的光源保护管6，光源保护管6采用石英管，上支撑板上立设有接头7，接头7的下端与壳体主体1的内腔相通，一方面用于与对应的水管连接向壳体主体的内引入污水，另一方面用于排出壳体主体1内的气体，壳体扩大段2顶部固设有罩设顶部支撑板3的壳体顶盖8，壳体扩大段2与壳体顶盖8的连接方式为法兰连接，壳体顶盖8与顶部支撑板3之间围成一空腔，该空腔可用于存放对应的电线，壳体顶盖8上设有进线孔和与接头7对应的通孔，接头7凸出于壳体顶盖8之外，连接于各光源上的电线经过壳体顶盖8上的进线孔后与对应的光源连接。壳体主体1的下部固定装配有气体分布器，气体分布器包括分布器壳体9，分布器壳体9呈一端开口的筒形，分布器壳体9通过其开口端同轴固定装配于壳体主体1的下端且与壳体主体1密封配合，二者的连接方式为法兰连接，分布器壳体9内于上、下端之间隔设有反射弧板10，反射弧板10由多个截面呈抛物线形状的弧形片构成且与分布器壳体9的封口端之间围成一气体缓冲室11，反射弧板10的上方设有分气主管12，本实施例中分气主管12有两根，两分气主管12之间关于壳体主体1的轴线对称设置且二者呈倒八字形分布，本实施例中，各分气主管12与水平面的夹角为30°，在其它实施例中，该夹角在5~30°之间皆可，两分气主管12上设有分气环管13，分气环管13呈封闭的圆环形，分气环管13固定设置于两分气主管12上，本实施例中，所述的分气环管13有三个，三个分气环管13同轴设置且相邻两分气环管之间的间距相等，相邻两分气环管中在分布器壳体9的径向上位于外侧的一个的管径大于另一个的管径，从而补偿了分气主管12在为位于上游的分气环管供气后的压降，使得各分气环管内的气压平衡，两分气主管12与对应的分气环管的配合处均设有对应的通孔，分气环管13上设有与分气主管12上的通孔对应的通孔并与进气主管导通连接，分气环管13沿周向于下部管壁上均匀布设有直管状的布气喷头14，相邻两布气喷头之间的距离为相邻两分气环管之间的距离的0.6~1.1，各分气环管13均以其各自的同时垂直于两分气主管12的直径为界分为第一半环和第二半环，位于同一第一半环上的两布气喷头中离该第一半环上的分气主管近的一个的内径小于另一个的内径，位于同一第二半环上的两布气喷头中离该第二半环上的分气主管近的一个的内径小于另一个的内径，从而可以实现均匀布气，布气喷头14与反射弧板10上的弧片一一对应，布气喷头14的一端固定于对应分气环管上并与分气环管导通连接，另一端斜向下发散悬伸且具有喷口，喷口的喷射方向朝向反射弧板10上对应的弧片，各布气喷头14于其喷口处设有烧结金属烧结头14-1，金属烧结头14-1起到过滤作用，可有效防止催化剂随逆回的气体进入分气主管12，反射弧板10上设有与分气主管12一一对应的气体桥接管15，气体桥接管15的上端与对应的分气主管12导通连接，下端与所述气体缓冲室导通连接；分布器壳体9下端，即封口端上同轴立设有进气主管16，进气主管16的上端深入气体缓冲室11，下端穿出分布器壳体9以用于与对应的气源连接，进气主管16的上端处设有沿径向向外发散的翼管17并通过各翼管17的悬伸端架设有布气环管18，布气环管18的两端对接从而形成一封闭环并通过翼管17与进气主管16导通连接，布气环管18的上侧面上设有布气孔18-1，从进气主管内进入的气体最终从布气环管上的布气孔进入气体缓冲室，经过在气体缓冲室缓冲后再通过气体桥接管进入到上气体分布器。
该反应器在工作时，首先将进气主管封闭，并将废水通过顶部支撑板上的接头中注入到反应器，加水高度在扩大段以下，然后根据需要加入适量光催化剂，将进气主管与对应的气源导通，气体首先经过进气主管、翼管及布气环管进入到气体缓冲室，布气环管使得气体在气体缓冲室内的在相对较短的时间内分布均匀，气体缓冲室则有效稳定了气流速度，防止因气速突然减弱使反应器内的液体逆流至分布器组件；气体流经气体缓冲室后经由气体桥接管和分气主管进入到分气环管并经过分气环管上的布气喷头喷出，由于布气喷头是向下开口，有效防止了在气量不稳时布气喷头的阻塞问题，另外，布气喷头出口湍动剧烈，颗粒间强摩擦易抑制催化剂的团聚现象，提高了催化剂的使用利用率，管式布气喷头与竖直方向成一定角度，则使得气体喷射到反射弧板并折流斜向上进入反应器后形成床层轴向环流，强化了传质。
气体分布器的实施例1，如图6-9所示，包括分布器壳体109，分布器壳体109呈一端开口的筒形，分布器壳体109的开口端用于对应的流化床反应器壳体固定连接并密封配合，分布器壳体109内于上、下端之间隔设有反射弧板110，反射弧板110由多个截面呈抛物线形状的弧形片构成且与分布器壳体109的封口端之间围成一气体缓冲室111，反射弧板110的上方设有分气主管112，本实施例中分气主管112有两根，两分气主管112之间关于分布器壳体109的轴线对称设置且二者呈倒八字形分布，本实施例中，各分气主管112与水平面的夹角为30°，在其它实施例中，该夹角在5~30°之间皆可，两分气主管112上设有分气环管113，分气环管113呈封闭的圆环形，分气环管113固定设置于两分气主管112上，本实施例中，所述的分气环管113有三个，三个分气环管113同轴设置且相邻两分气环管之间的间距相等，相邻两分气环管中在分布器壳体109的径向上位于外侧的一个的管径大于另一个的管径，从而补偿了分气主管112在为位于上游的分气环管供气后的压降，使得各分气环管内的气压平衡，两分气主管112与对应的分气环管的配合处均设有对应的通孔，分气环管113上设有与分气主管112上的通孔对应的通孔并与进气主管导通连接，分气环管113沿周向于下部管壁上均匀布设有直管状的布气喷头114，相邻两布气喷头之间的距离为相邻两分气环管之间的距离的0.6~1.1，各分气环管113均以其各自的同时垂直于两分气主管112的直径为界分为第一半环和第二半环，位于同一第一半环上的两布气喷头中离该第一半环上的分气主管近的一个的内径小于另一个的内径，位于同一第二半环上的两布气喷头中离该第二半环上的分气主管近的一个的内径小于另一个的内径，从而可以实现均匀布气，布气喷头114与反射弧板110上的弧片一一对应，布气喷头114的一端固定于对应分气环管上并与分气环管导通连接，另一端斜向下发散悬伸且具有喷口，喷口的喷射方向朝向反射弧板110上对应的弧片，各布气喷头114于其喷口处设有烧结金属烧结头114-1，金属烧结头114-1起到过滤作用，可有效防止催化剂随逆回的气体进入分气主管112，反射弧板110上设有与分气主管112一一对应的气体桥接管115，气体桥接管115的上端与对应的分气主管112导通连接，下端与所述气体缓冲室导通连接；分布器壳体109下端，即封口端上同轴立设有进气主管116，进气主管116的上端深入气体缓冲室111，下端穿出分布器壳体109以用于与对应的气源连接，进气主管116的上端处设有沿径向向外发散的翼管117并通过各翼管117的悬伸端架设有布气环管118，布气环管118的两端对接从而形成一封闭环并通过翼管117与进气主管116导通连接，布气环管118的上侧面上设有布气孔118-1，从进气主管内进入的气体最终从布气环管上的布气孔进入气体缓冲室，经过在气体缓冲室缓冲后再通过气体桥接管进入到上气体分布器。
Claims (10)
1.一种流化床光催化反应器，包括筒形的壳体主体，所述壳体主体的下端装配有气体分布器，所述气体分布器包括呈筒形且上端开口、下端封口的分布器壳体，壳体主体的下端与分布器壳体的开口端固定密封配合，分布器壳体的上、下端之间隔设有反射弧板并于所述反射弧板的上方设有分气主管，其特征在于，所述反射弧板与壳体的封口端之间围成气体缓冲室，分布器壳体的封口端上设有与所述气体缓冲室相通的进气主管，反射弧板上设有连通于所述分气主管和气体缓冲室之间的气体桥接管。
2.根据权利要求1所述的流化床光催化反应器，其特征在于，所述进气主管同轴立设于分布其壳体的封口端处，进气主管的上端延伸至所述气体缓冲室之内且固定连接有两个以上沿径向发散的翼管，所述翼管上架设有布气环管，所述布气环管和进气主管通过所述翼管导通，布气环管沿周向于上侧面上布设有布气孔。
3.根据权利要求1或2所述的流化床光催化反应器，其特征在于，所述分气主管上固定设置有分气环管，所述的分气环管与分气主管相通，分气环管沿周向于下侧管壁上布设有布气喷头，所述各布气喷头具有朝向所述反射弧板的喷口并于所述喷口处设有金属烧结头。
4.根据权利要求3所述的流化床光催化反应器，其特征在于，所述分气环管有两个以上且同轴设置，相邻两分气环管中在分布器壳体的径向上位于外侧的一个的管径大于另一个的管径。
5.根据权利要求3所述的流化床光催化反应器，其特征在于，所述分气主管有两个，两分气主管关于分布器壳体的中心线对称设置，所述各分气环管均以其各自的同时垂直于两分气主管的直径为界分为第一半环和第二半环，位于同一第一半环上的两布气喷头中离该第一半环上的分气主管近的一个的内径小于另一个的内径，位于同一第二半环上的两布气喷头中离该第二半环上的分气主管近的一个的内径小于另一个的内径。
6.一种气体分布器，包括呈筒形且上端开口、下端封口的分布器壳体，分布器壳体的上、下端之间隔设有反射弧板并于所述反射弧板的上方设有分气主管，其特征在于，所述反射弧板与壳体的封口端之间围成气体缓冲室，分布器壳体的封口端上设有与所述气体缓冲室相通的进气主管，反射弧板上设有连通于所述分气主管和气体缓冲室之间的气体桥接管。
7.根据权利要求要求6所述的气体分布管，其特征在于，所述进气主管同轴立设于分布其壳体的封口端处，进气主管的上端延伸至所述气体缓冲室之内且固定连接有两个以上沿径向发散的翼管，所述翼管上架设有布气环管，所述布气环管和进气主管通过所述翼管导通，布气环管沿周向于上侧面上布设有布气孔。
8.根据权利要求要求6或7所述的气体分布管，其特征在于，所述分气主管上固定设置有分气环管，所述的分气环管与分气主管相通，分气环管沿周向于下侧管壁上布设有布气喷头，所述各布气喷头具有朝向所述反射弧板的喷口并于所述喷口处设有金属烧结头。
9.根据权利要求要求8所述的气体分布管，其特征在于，所述分气环管有两个以上且同轴设置，相邻两分气环管中在分布器壳体的径向上位于外侧的一个的管径大于另一个的管径。
10.根据权利要求要求8所述的气体分布管，其特征在于，所述分气主管有两个，两分气主管关于分布器壳体的中心线对称设置，所述各分气环管均以其各自的同时垂直于两分气主管的直径为界分为第一半环和第二半环，位于同一第一半环上的两布气喷头中离该第一半环上的分气主管近的一个的内径小于另一个的内径，位于同一第二半环上的两布气喷头中离该第二半环上的分气主管近的一个的内径小于另一个的内径。
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2011
- 2011-12-13 CN CN2011104146545A patent/CN102689940A/zh active Pending
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