CN102921354A

CN102921354A - 固定床光热反应器

Info

Publication number: CN102921354A
Application number: CN2012104544246A
Authority: CN
Inventors: 赵铁英
Original assignee: TIANJIN XIANQUAN INDUSTRY TRADE DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: TIANJIN XIANQUAN INDUSTRY TRADE DEVELOPMENT Co Ltd
Priority date: 2012-11-14
Filing date: 2012-11-14
Publication date: 2013-02-13

Abstract

本发明涉及一种固定床光热反应器，包括反应炉、催化剂支撑筛板、石英外层套管、石英发光灯套管和发光灯管；反应炉至少一个侧壁为炉瓦结构，发光灯管放置于反应炉的内部，其外部套有一个石英发光灯套管，再在该石英发光灯套管外套上石英外层套管，催化剂样品放置于催化剂支撑筛板上；反应炉的上下安装有金属顶盖和金属底盖，金属顶盖上有反应气进口和冷气出口，在金属底盖上有反应气出口和冷气进口。本发明结构和制作工艺简单，反应炉的温度可高达600-800^oC以上，可满足绝大部分的光热反应的需求，具有广泛的应用前景。

Description

固定床光热反应器

技术领域

本发明涉及一种催化剂反应性能测试的光反应设备技术，特别是涉及一种固定床光热反应器。

背景技术

固定床光热反应器是一种积分反应装置，在催化剂反应性能测试方面具有广泛的应用。光作为一种自然的能源形式，作用于催化剂样品，特别是作用于对应光敏感的催化剂，可使得催化剂处于激发态，从而促进催化反应过程的发生。光催化具有自身独特的优势，相比于热能，光子携带的巨大能量能完成热能无法实现的化学反应过程。另外光催化的另一个特点是能量的选择性，原则上单色光可选择地激发反应物为所需要的激发态和振动形式，完成反应过程。然而对于一些需要较大能量的光的反应，往往常用的白色光（390-780 nm）和紫外光源（254 nm）可能无法满足。另外光在催化反应的利用效率不大也限制它的应用。

光热反应过程是将光和热两者结合起来，在一定的反应温度，在光的辅助作用下，催化剂的反应性能一般远高于单一的光催化和热催化活性。因此要达到相同的反应活性，在光的参与作用下，可明显地降低反应的温度，这样可提高反应的选择性。反过来说，热源的存在可以减低所需光源的能量，即在一定温度下，使得原本需要在很高能量的光源作用的反应可以在常用的白色光（390-780 nm）和紫外光源（254 nm）完成。因此光热反应器充分发挥了光和热的协同作用，相互促进，具有较大的应用价值。

现今的光反应器主要用于光解制氢以及空气污染物，有毒有机废水等光降解过程中，反应一般在常温下进行。光热反应器及其相关应用在国内专利中鲜有涉及。申请号为200820160038.5的中国实用新型“工业化循环光反应设备”中提到，使用热空气循环系统对在光反应区的蛇形盘管中的液体进行保温，在一定温度实现物料光反应过程的进行，而显然该反应过程为积分过程。而对于固定床反应器，如何结合光来实现微分反应过程则成为尚未解决的问题。因此固定床光热反应器的开发和应用显得非常重要，也很急迫。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的固定床光热反应器，该光热反应器基于设计中存在的问题，例如紫外灯管光源不能在高温下工作，并且在发光过程中会发热。因此就光热反应器的结构进行比较特殊的设计，实现了热源与光源在位置上良好的匹配。该光热反应器的结构和制作工艺均较为简单，反应炉的温度可高达600 ^oC以上，可满足绝大部分的光热反应的需求，具有广泛的应用前景。

本发明提供的一种固定床光热反应器主要包括反应炉、催化剂支撑筛板（或支撑反应管）、石英外层套管、石英发光灯套管和发光灯管。反应炉的至少一个侧壁为炉瓦结构，可以对样品进行加热。发光灯管放置于反应炉的内部，其外部先套有一个（直径较小的）石英发光灯套管，再在该石英发光灯套管外套上一个（直径较大的）石英外层套管，催化剂样品则放置于（石英外层套管外侧和反应炉内壳之间）支撑筛板上。从而实现对样品的光热反应性能的表征。反应炉的上下分别安装有金属顶盖和金属底盖，在金属顶盖上有反应气进口和冷气出口，对应在金属底盖上有反应气出口和冷气进口。

本发明提供固定床光热反应器，在光热反应器工作时，由于加热炉的温度较高，热量会通过石英外层套管内侧和石英发光灯套管外侧空间内的气体分子向反应炉中心的光源扩散，由于气体分子的传热限制，该空间内呈现出明显的温度梯度。当石英外层套管内测距离石英发光灯套管外侧较远或者中间存在真空空间时，只有较少量或极少量的热量会传递到光源。与此同时可向石英发光灯套管内吹冷气，进一步地降低发光灯管周围的温度，使其正常工作，延长其工作寿命。该光热反应器的结构和制作工艺均较为简单，反应炉的温度可高达600-800 ^oC以上，可满足绝大部分的光热反应的需求，具有广泛的应用前景，是一种高效高寿命的固定床光热反应器。

附图说明

图1为本发明的实施例1的固定床光热反应器的A-A剖面结构示意图。

图2为本发明的实施例2的固定床光热反应器的A-A剖面结构示意图。

图3为本发明的实施例3的固定床光热反应器的A-A剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明

如图所示，1-反应炉，2-催化剂支撑筛板，3-石英外层套管，4-石英发光灯套管，5-发光灯管，6-金属顶盖，7-金属底盖，8-反应气进口，9-反应气出口，10-冷气进口，11-冷气出口，12-接线，13-催化剂样品，14-支撑反应管，15-反射壁。

如图1为本发明的一个实施例的固定床光热反应器的结构示意图。该固定床光热反应器主要包括反应炉1、催化剂支撑筛板2、石英外层套管3、石英发光灯套管4和发光灯管5等组成。

反应炉1的侧壁为炉瓦结构，可以进行加热，上下分别安装有金属顶盖6和金属底盖7，在金属顶盖6上存在有反应气进口8和冷气出口11，对应在金属底盖7上有反应气出口9和冷气进口10。

发光灯管5置于反应炉1的中心，发光灯管5上下的接线12分别从金属顶盖6和金属底盖7接出，但需焊好，不能影响金属盖的密封效果。在发光灯管5的外面套有一个直径较小的石英发光灯套管4，石英发光套管4和发光灯管5之间存在一定的空间，可以向其中通过冷气，来对发光灯管5进行冷却。冷气进出口10、11分别位于反应器上下的金属盖上，偏离其中心，以与反应气进出口8、9分离开，该冷气进出口10、11分别与冷气源及对应的尾气管相连，冷气一般从金属底盖7上的冷气进口10进入，而从金属顶盖6上的冷气出口11出去，同时带走热量。

在石英发光灯套管4外再套有一个直径较大的石英外层套管3，利用石英外层套管3与石英发光灯套管4之间的距离，抑制反应炉层1热量向内的扩散和传播。在反应炉层1和石英外层套管3之间存在着支撑筛板2，可放置反应用的催化剂样品13。反应气进出口8，9分别位于反应器上下的金属盖上的中心，分别与反应气源及对应的尾气管相连，反应气一般从金属顶盖6上的反应气进口8进入，而从金属底盖7上的反应气出口9出去。

在光热反应器工作时，由于反应一般在较高的温度下进行，加热炉层1和催化剂样品13的热量会通过石英外层套管3内侧和石英发光灯套管4外侧空间内的气体分子向反应炉1中心的光源5扩散，由于气体分子的传热限制，该空间内呈现出明显的温度梯度，显然石英外层套管3的直径决定了传递的热量大小。与此同时在石英发光灯套管4内吹冷气，将传递过来的热量带走，从而达到热量的传递的平衡。一般来说，当反应温度达到600 ^oC时，使用直径为5 cm的石英外层套管3，同时向石英外层套管3内侧和石英发光灯套管4外侧之间的空间内通入较大流量的常温空气，可使得石英发光灯套管周围的温度下降至40 ^oC左右，即达到发光灯的正常使用温度，同时大大地延长了其使用寿命。

如图2为本发明的另一个实施例的固定床光热反应器的结构示意图。与图1所述的实施例类似，该固定床光热反应器主要包括反应炉1、支撑反应管14（包括支撑筛板2）、石英外层套管3、石英发光灯套管4和发光灯管5等组成。反应炉1的侧壁为炉瓦结构，可以进行加热，上下分别安装有金属顶盖6和金属底盖7。发光灯管5置于反应炉1的中心，发光灯管5上下的接线12分别从金属顶盖6和金属底盖7接出。在发光灯管5的外面套有一个直径较小的石英发光灯套管4，石英发光套管4和发光灯管5之间存在一定的空间，可以向其中通过冷气，来对发光灯管5进行冷却。冷气进出口10、11分别位于反应器上下的金属盖上的中心，分别与冷气源及对应的尾气管相连。冷气一般从光热反应器底部的冷气进口10进入，而从光热反应器顶部的冷气出口11出去，同时带走热量。在石英发光灯套管4外再套有一个直径较大的石英外层套管3，利用石英外层套管3与石英发光灯套管4之间的距离，抑制反应炉层1热量向内的扩散和传播。在反应炉层1和石英外层套管3之间可放置反应管14，反应管中部有支撑筛板2，可放置反应用的催化剂样品13。反应气一般从金属顶盖6上的反应气进口8进入支撑反应管14内，与催化剂样品13作用，然后从金属底盖7的反应气出口9排出。反应气进出口8，9位置分别处在对着的金属顶盖6和金属底盖7的旁侧，分别与反应气源及对应的尾气管相连。在光热反应器工作时，由于反应一般在较高的温度下进行，加热炉层1和催化剂样品13的热量会通过石英外层套管3内侧和石英发光灯套管4外侧空间内的气体分子向反应炉1中心的光源5扩散，由于气体分子的传热限制，该空间内呈现出明显的温度梯度，显然石英外层套管3的直径决定了传递的热量大小。与此同时在石英发光灯套管4内吹冷气，将传递过来的热量带走，从而达到热量的传递的平衡。同图1所述的实施例类似，一般来说，当反应温度达到600 ^oC时，使用直径为5 cm的石英外层套管3，同时向石英外层套管3内侧和石英发光灯套管4外侧之间的空间内通入较大流量的常温空气，可使得石英发光灯套管周围的温度下降至40 ^oC左右，即达到发光灯的正常使用温度，同时大大地延长了其使用寿命。

如图3为本发明的另一个实施例的固定床光热反应器的结构示意图。与图1和图2所述的实施例类似，该固定床光热反应器主要包括反应炉1、支撑反应管14（包括支撑筛板2）、石英外层套管3、石英发光灯套管4、发光灯管5和反射侧壁15等组成。反应炉1的一侧壁（图中为左侧壁）为炉瓦结构，可以进行加热，另一侧壁（图中为右侧壁）为反射材料制成的反射壁15，一般为铝或者不锈钢。反应炉1的上下分别安装有金属顶盖6和金属底盖7。发光灯管5置于反应炉1中反射壁15的一侧（图中在反射壁的左侧），发光灯管5上下的接线12分别从金属顶盖6和金属底盖7接出。在发光灯管5的外面套有一个直径较小的石英发光灯套管4，石英发光套管4和发光灯管5之间存在一定的空间，可以向其中通过冷气，来对发光灯管5进行冷却。冷气进出口10、11分别位于反应器上下的金属盖上的中心，分别与冷气源及对应的尾气管相连。冷气一般从光热反应器底部的冷气进口10进入，而从光热反应器顶部的冷气出口11出去，同时带走热量。在石英发光灯套管4的一侧有一个直径较大的石英外层套管3，与石英发光灯套管4形成一个封闭的空间，一般可以对该空间抽真空，这样可达到几乎完全抑制热量传递的效果。反应炉层的炉瓦结构侧壁和石英外层套管3之间可放置支撑反应管14，反应管中部有支撑筛板2，可放置反应用的催化剂样品13。反应气一般从金属顶盖6上的反应气进口8进入支撑反应管14内，与催化剂样品13作用，然后从金属底盖7的反应气出口9排出。反应气进出口8、9位置分别处在对着的金属顶盖6和金属底盖7的旁侧，而非中心，分别与反应气源及对应的尾气管相连。在光热反应器工作时，发光灯发出的光源一部分直接照射在样品上，而方向相反的一部分光源则会被反射壁反射回样品上，因此光源不会有损失。由于反应一般在较高的温度下进行，反应炉1侧壁的热量和催化剂样品13的热量会通过石英外层套管3和石英发光灯套管4向光源5扩散，由于石英外层套管3与石英发光灯套管4之间形成了封闭真空空间，几乎完全抑制热量的传递。与此同时，在石英发光灯套管4内吹冷气，将发光灯自身发热和传递过来的极少量的热量带走，降低发光灯管5周围的温度。同图1和图2所述的实施例类似，一般来说，当反应温度达到600 ^oC时，使用直径为5 cm的石英外层套管3，同时向石英外层套管3内侧和石英发光灯套管4外侧之间的空间内通入较大流量的常温空气，可使得石英发光灯套管周围的温度下降至40 ^oC左右，即达到发光灯的正常使用温度，同时大大地延长了其使用寿命。相比于图1和图2所述的实施例，该实施例中反应温度可以进一步提高，可达到800 ^oC以上。

Claims

1.一种固定床光热反应器，其特征在于它主要包括反应炉、催化剂支撑筛板、石英外层套管、石英发光灯套管和发光灯管；反应炉至少一个侧壁为炉瓦结构，发光灯管放置于反应炉的内部，其外部先套有一个石英发光灯套管，再在该石英发光灯套管外套上一个石英外层套管，催化剂样品则放置于催化剂支撑筛板上；反应炉的上下分别安装有金属顶盖和金属底盖，在金属顶盖上有反应气进口和冷气出口，对应在金属底盖上有反应气出口和冷气进口。

2.一种固定床光热反应器，其特征在于它主要包括反应炉、催化剂支撑筛板、石英外层套管、石英发光灯套管和发光灯管；反应炉的侧壁为炉瓦结构，反应炉的上下分别安装有金属顶盖和金属底盖，在金属顶盖上存在有反应气进口和冷气出口，对应在金属底盖上有反应气出口和冷气进口；发光灯管置于反应炉的中心，发光灯管上下的接线分别从金属顶盖和金属底盖接出，在发光灯管的外面套有一个直径较小的石英发光灯套管，石英发光套管和发光灯管之间存在的空间，向其中通过冷气，对发光灯管进行冷却；冷气进口、冷气出口分别位于反应器上下的金属盖上，偏离其中心，以与反应气进口、反应气出口分离开；冷气进口、冷气出口分别与冷气源及对应的尾气管相连，冷气从金属底盖上的冷气进口进入，而从金属顶盖的冷气出口出去，同时带走热量；

在石英发光灯套管外再套有一个直径较大的石英外层套管，在反应炉层和石英外层套管之间存在着支撑筛板，用于放置反应用的催化剂样品；

反应气进出口、反应气出口分别位于反应器上下的金属盖上的中心，分别与反应气源及对应的尾气管相连，反应气从金属顶盖上的反应气进口进入，而从金属底盖上的反应气出口出去。

3. 一种固定床光热反应器，其特征在于它主要反应炉、支撑反应管、石英外层套管、石英发光灯套管和发光灯管；反应炉的侧壁为炉瓦结构，其上下分别安装有金属顶盖和金属底盖，发光灯管置于反应炉的中心，发光灯管上下的接线分别从金属顶盖和金属底盖接出；在发光灯管的外面套有一个直径较小的石英发光灯套管，石英发光套管和发光灯管之间存在一定的空间；冷气进口、冷气出口分别位于反应器上下的金属盖上的中心，分别与冷气源及对应的尾气管相连；冷气从光热反应器底部的冷气进口进入，从光热反应器顶部的冷气出口出去；在石英发光灯套管外再套有一个直径较大的石英外层套管，利用石英外层套管与石英发光灯套管之间的距离，抑制反应炉层热量向内的扩散和传播；

在反应炉层和石英外层套管之间放置支撑反应管，支撑反应管中部有支撑筛板；反应气从金属顶盖上的反应气进口进入支撑反应管内，从金属底盖的反应气出口排出；反应气进口、反应气出口位置分别处在对着的金属顶盖和金属底盖的旁侧，分别与反应气源及对应的尾气管相连。

4. 一种固定床光热反应器，其特征在于它主要包括反应炉、支撑反应管、石英外层套管、石英发光灯套管、发光灯管和反射侧壁；反应炉的一个侧壁为炉瓦结构，另一个侧壁为反射材料制成的反射壁，反应炉的上下分别安装有金属顶盖和金属底盖；发光灯管置于反应炉中反射壁的一侧，发光灯管上下的接线分别从金属顶盖和金属底盖接出，在发光灯管的外面套有一个直径较小的石英发光灯套管，石英发光套管和发光灯管之间存在空间，向其中通过冷气，来对发光灯管进行冷却；冷气进口、冷气出口分别位于光热反应器上下的金属盖上的中心，分别与冷气源及对应的尾气管相连；冷气从光热反应器底部的冷气进口进入，从光热反应器顶部的冷气出口出去；在石英发光灯套管的一侧有一个直径较大的石英外层套管，与石英发光灯套管形成一个封闭的空间，对该空间抽真空，反应炉的炉瓦结构侧壁和石英外层套管之间放置支撑反应管，支撑反应管中部有支撑筛板，放置反应用的催化剂样品；反应气从金属顶盖上的反应气进口进入支撑反应管内，与催化剂样品作用，然后从金属底盖的反应气出口排出；反应气进口、反应气出口的位置分别处在对着的金属顶盖和金属底盖的旁侧，而非中心，分别与反应气源及对应的尾气管相连。

5. 根据权利要求4所述的固定床光热反应器，其特征在于所述的反射壁是铝或者不锈钢材料制成。