CN108514817A - 一种气态污染物净化的多功能实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气态污染物净化的多功能实验装置。本发明配气系统包括模拟气源、流量计、混合罐和气体流量分配器及其流量计；平行反应系统包括若干可拆卸安装于支座上的反应器组件，反应器组件包括套筒及若干可拆卸安装于套筒内的反应器元件，各反应器元件进气管路分别与气体流量分配器及其流量计尾端可拆卸连接；吹扫再生系统包括气体加热罐，气体加热罐连接有吹扫气并通过气源支路与气体流量分配器及其流量计的前端连接；检测监控系统包括压力表、温度探头及配套温度显示仪表和加热控制器、气体成分监测仪。本发明装置结构简明，操作灵活方便，克服了现有气体吸附或催化净化实验装置气路少、工作量大、装卸操作不便、温控不理想等问题。
Description
技术领域
本发明属于气固试验装置技术领域，具体涉及一种气态污染物净化的多功能实验装置。
背景技术
随着工业发展和能源消耗量的不断增长，大气污染问题日益严重，已引起社会各界的广泛关注。我国大气污染物主要来自火电、有色冶炼、石化、化工、涂装、制药、焦化等行业的生产过程和汽车尾气等，废气成分包括氮氧化物 (NOX)、二氧化硫(SO2)、CO、NH3、H2S、重金属和挥发性有机污染物(VOCs)等。气态污染物量大面广、成分复杂，均具有一定毒性，直接排放会对大气环境和人体健康造成严重影响，因此对其实施净化措施是必要的。随着环保要求的提高和排放标准日趋严格，研究高效净化新技术的需求日益迫切。
目前，主要废气处理技术有吸收、吸附、冷凝、燃烧和催化转化等。其中，吸附是利用多孔性固体物质表面上未平衡或未饱和的分子力，把气体中有害组分富集在固体内外表面，将其从气流中分离而除去的净化过程。催化法则是在催化剂存在条件下，将原本需要在比较苛刻条件下(比如高温)才能转化的废气在较温和条件下高效转化成无害或低毒产物的净化方法。吸附法和催化法相比其它处理技术，均具有工艺流程简洁、处理能力大、净化效率高、一般无二次污染等优点。
吸附法和催化法技术的核心是研发高效的吸附或催化材料，往往需要开展大量的成分遴选、合成、改性与实验测试工作。传统的实验过程中，一般一次只有1～2个反应器(管、床层)进行测试，存在测试效率太低、耗时长、工作量大等问题。当购置多台套设备时，费用过高、浪费大且占地。在各种相关教学实验中，设备使用存在的问题也很突出：设备昂贵、多人分组实验往往必须采购多台套设备，投入大、占用空间、效率低，经费受限的学校常常难以满足开展实践教学工作的要求。
专利ZL200510029469.9提出了一种多管式组合反应装置，通过采用包括加热炉、加热器、导热棒、至少2个反应管、多通道切换阀，测温仪、温度控制仪和流量分配器，导热棒内放置反应管，每个反应管的进料口均与流量分配器相连接，每个反应管的出料口均与多通道切换阀相连接，使每个反应管呈并联连接；每个反应管内的测温元件均与测温仪相连；加热炉内的加热器与温度控制仪相连，实现反应管内的温度控制的技术方案，主要适合用于有机合成催化反应和催化剂的研究，提高了研发效率。但该装置设计中采用固定全部反应管集中外加热的方式，当反应管尺寸较大、数目较多时，会传热不均，影响实验结果的准确性和可比性。并且，更换催化剂的装填操作需经历停机、冷却、打开加热炉、逐一装卸反应管等环节，全部完成后才能继续下一批次测试，当反应管数量多时，操作相当麻烦。上述缺点使得其难以满足废气催化或吸附净化研发过程中对测试项目多样化、反应热稳定性和操作便捷性等方面更高的要求。尤其是当该装置用于实验教学过程需要分组操作时，对反应器配置灵活调整的要求将受到更明显的限制。
市场上已有的高通量气固催化反应设备跟上述设备存在几乎同样的问题：虽然反应管数量和尺寸可以扩增或更换，但均采用定制方式，一套成型设备其反应管的数量尺寸是固定的，用户无法根据经常变化的实际需求灵活调整串并联形式和具体配置。而当配置的反应器数量很多时，其组合件相当笨重，逐一拆卸、更换反应管催化剂耗时费力。若用于教学实验多组学生操作时，不能很快捷地实现轮换，且装置本身价格不菲。
综上，科研和教学实验常用的气态污染物气固反应净化装置存在气路简单、反应管(柱、床)数量少、空间占用大的不足，尤其是开展多组实验项目时存在设备投入大、测试效率低、数据可比性差、研发耗时长等多种问题。因此，设计配置灵活、操作方便、高效多功能的废气气固反应实验装置为科研和教学工作所急需。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的气固吸附或催化反应实验测试装置存在的上述高耗低效等缺陷，提供一种气态污染物净化的多功能实验装置。
本发明的目的是通过如下的技术方案来实现的：该气态污染物净化的多功能实验装置，它包括配气系统、平行反应系统、检测监控系统、吹扫再生系统；所述配气系统包括依次连接的模拟气源、流量计、混合罐和气体流量分配器及其流量计；混合罐连接有水汽调节注射泵，以实现气体湿度调节；所述平行反应系统包括若干可拆卸安装于支座上的反应器组件，反应器组件包括套筒及若干可拆卸安装于套筒内的反应器元件，各反应器元件的进气管路分别与气体流量分配器及其流量计的尾端可拆卸连接；所述吹扫再生系统包括气体加热罐，气体加热罐连接有吹扫气并通过气源支路与气体流量分配器及其流量计的前端连接；所述检测监控系统包括压力表、温度探头及配套温度显示仪表和加热控制器、气体成分监测仪；所述混合罐和气体加热罐均安装有压力表、安全阀和与温度显示仪表连接的温度探头，罐体外部均围绕安装有电热装置和保温层，电热装置与加热控制器连接；反应器元件的出气管路均依次与多通道切换阀和气体成分监测仪可拆卸连接；反应器组件之间呈并联或串联方式；每个反应器元件均设有与温度显示仪表连接的测温探头以及相应的温控电热装置，以实现反应器元件、组件温度的准确控制；装置各部件之间管线均采用快速接头连接，并装有阀门，方便装卸和管路启闭。
进一步的，所述平行反应系统前，设置有若干预留管路接口；随时可以增配或拆换不同尺寸规格和数量的备用反应器组件及配套元件，可以按实际需求调整反应器元件和组件的数量和尺寸，从而实现最大限度地灵活搭配使用。
具体的，所述反应器组件包括反应器元件和套筒，反应器元件为反应管或反应床；所述套筒内部围绕其中心轴线均匀设有若干轴向的孔道，反应器元件插入孔道中固定；套筒的中心轴线处为一通孔，该通孔与支座上的凸棒对位或卡位以固定反应器组件，必要时套筒四周环面增设若干凹槽或固定圈，进一步将反应器组件通过挂架或支架固定在支座上；支座上的凸棒为可拆卸式，必要时更换成电加热棒，以确保需要高温条件时可对反应器元件进行二次加热。
进一步的，所述套筒的横截面外周形状或是圆形、或是正多边形、或是矩形；其外柱面或是全封闭，或是中间一截全敞开露出其内部孔道的一截，或是中间一截半敞开、对应于其内部各孔道位置开窗孔露出其内部孔道的一截，从而能够对反应器元件位置及其中固相材料装填状态进行观察，同时大幅减轻反应器组件的重量，更加方便操作；其中，外柱面全封闭式的组件适合需要精确保温的反应，外柱面部分裸露的组件适合中低温度区间的反应，外柱面中部全敞开的组件适合反应过程有剧烈放热的反应。
具体的，所述模拟气源为1～20种气体，优选2～10种；通过钢瓶气体、风机、空气泵、鼓泡缓释或渗透管缓释、燃烧器及上述任意方式的组合提供模拟废气需要的成分和浓度。
具体的，所述反应器组件数量为1～30个，优选1～12个；反应器元件为1～36个，优选2～20个；反应器组件可任意排列，以美观紧凑为宜，优选呈圆周辐射状、单排、或上下前后多排直列均匀布置；反应器元件可呈圆周或线性均匀排布；反应器元件、组件的数量可以灵活增减，其尺寸也可以调整。
本发明中的废气净化多功能实验装置采用模块化设计，可用于环保领域不同废气的气固反应净化材料或工艺优化研究，也可用于化学化工领域各类气固反应催化剂的研究。由于不同规格尺寸的反应器组件、元件可以灵活更换、组合，反应器组件还能在并联或串联方式间轻松切换重组，因而很容易实现测试项目拓展，显著提高测试效率，大幅缩减研发周期。用于教学实验时，一台套这样的装置即可完成多台套传统实验装置的任务，尤其是可以灵活拓展实验内容，高效完成学生分组实验。
本发明装置中对每一个反应器元件(管、床层)进行温度监控，最大限度的减少了平行测试的温差影响，并能够确保不同组件之间的温度无干扰，实现同批次差异化调控测试；反应器元件(管、床层)组装成模块化的反应器组件，其数量、尺寸均可增减调节，均与输入的配气形成并联或者多组串联布置，从而实现测试功能的大幅拓展；例如，同时完成多种催化剂或吸附材料的性能测试，同时完成不同催化剂分别在不同空速或温度条件下的老化实验、催化活性与寿命测试，完成催化反应动力学与反应机理测试等。
因此，本发明装置可大幅提高实验测试效率，缩短研发周期并削减装置投入。用于教学实验时，可以显著减少占用空间和经费投入，实现有限的学时内在一套装置上多组学生同时进行实验操作和测试，并且可以根据实际需要灵活调整反应器组件和元件的尺寸规格和数量配置，以调整或拓展实验项目内容，完成常规实验装置难以完成的综合性实验。
本发明装置结构简明，操作灵活方便，只需搭配少量监测仪器，即可有效解决各种模拟废气吸附或催化净化过程研究的效率短板，克服了现有的气体吸附或催化净化实验装置要么气路少、工作量大，要么大批量测试装卸操作不便、温控不理想等诸多问题，可同时进行多组平行测试(含多组并联或多组串联)。本发明装置可用于气态污染物吸附净化过程研究，亦可用于气固相催化反应实验研究，并且也非常适合相关教学实验用，解决一般单位购置多台套设备费用高、占地大和效率低等难题。
附图说明
图1是本发明装置的整体原理结构示意图。
图2是本发明实施例3×6的反应器组件、元件平面布置示意图。
图3为图2中反应器组件的套筒外柱面全封闭时的立体结构示意图。
图4为图2中反应器组件的套筒外柱面一截全敞开时的立体结构示意图。
图5为图2中反应器组件的套筒外柱面一截半敞开并开有窗孔时的立体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。
参见图1，本发明装置包括配气系统、平行反应系统、检测监控系统、吹扫再生系统。配气系统包括依次连接的模拟气源1、流量计2、混合罐3和气体流量分配器及其流量计5；混合罐连接有水汽调节注射泵4，以实现气体湿度调节。结合图2，本实施例中，平行反应系统包括三组呈圆周辐射状排列、可拆卸安装于支座上的反应器组件，反应器组件包括套筒15和六个围绕套筒 15中心轴线均布、可拆卸安装于套筒15内的反应器元件6(反应管或反应床)；结合图3、图4、图5，套筒15内部围绕其中心轴线均匀设有若干轴向的孔道 16，反应器元件6插入孔道16中固定；套筒15的中心轴线处为一通孔，该通孔与支座上的凸棒9对位或卡位以固定反应器组件，套筒15四周环面设有若干凹槽或固定圈(图中未画出)，以便进一步将反应器组件通过挂架或支架固定在支座上；支座上的凸棒9为可拆卸式，必要时更换成带有加热功能的电加热棒，以确保高温反应条件时可对反应器元件6进行加热。从图3、图4、图 5中可见，套筒15的横截面外周形状为圆形，其外柱面或是全封闭，如图3 所示；或是中间一截17全敞开露出其内部孔道16的一截，如图4所示；或是中间一截半敞开，对应于其内部各孔道16位置开窗孔18露出其内部孔道16 的一截；从而能够对反应器元件6的位置及其中固相材料装填状态进行观察，同时大幅减轻组件的重量，更加方便操作；其中，外柱面全封闭式的组件适合需要精确保温的反应，外柱面部分裸露的组件适合中低温度区间的反应，外柱面中部全敞开的组件适合反应过程有剧烈放热的反应。
参见图1，上述各反应器元件6的进气管路分别与气体流量分配器及其流量计5的尾端可拆卸连接。吹扫再生系统包括气体加热罐12，气体加热罐12 连接有吹扫气13并通过气源支路与气体流量分配器及其流量计5的前端连接。检测监控系统包括压力表、温度探头及配套温度显示仪表和加热控制器、气体成分监测仪(部分部件在图中未画出，因安装这些部件属常规技术，在此不再赘述)；混合罐3和气体加热罐13均安装有压力表、安全阀和与温度显示仪表连接的温度探头，罐体外部均围绕安装有电热装置和保温层，电热装置与加热控制器连接。反应器元件6的出气管路均依次与多通道切换阀7和气体成分监测仪11可拆卸连接，反应器组件之间呈并联方式；每个反应器元件6均设有与温度显示仪表连接的测温探头以及相应的温控电阻丝或电热带或电热管，以实现反应器元件、组件温度的准确控制。装置各部件之间管线均采用快速接头连接，并装有阀门，方便装卸和管路启闭。
以下是具体的实验实例：
实施例1：SO2废气吸附教学实验。
某高校开展废气吸附净化的实验教学，实验内容为测定固定床中活性炭吸附SO2模拟废气的穿透曲线，比较改性和未改性活性炭的吸附效果。当采用常规的吸附实验装置时，按一般每套装置配置4根吸附柱计，实验室需购置至少 4套同样的装置，且配置4个气源(气体钢瓶)并至少为其配置8～10台气体成分检测仪器。要完成一个32人班级的实验，为保证每个人都参于操作，还需将全班学生分成两批轮流进行实验。第一批学生完成未改性活性炭的穿透曲线测试后，需要把用过的活性炭全部卸除替换后才能进行改性活性炭的穿透曲线测试。第二批学生同样经历重复上述过程进行实验。进气SO2浓度在800ppm 左右、气速5L/min、填充床层高度5cm条件下，每一批学生完成全部实验任务的周期为3.5～4小时左右。
若采用本发明图1的实验装置，同样将学生分两批轮流参加实验，只需采购一套装置(含1个气源)，同时配置3套备用反应器组件和3～6台气体成分检测仪(通过切换阀轮动测)。具体实验时，将班上学生分成18人和14人两批轮流做实验。每批学生分成3个小组，每个小组6人(第二批有一组只有2 人)共用一个反应器组件和2台气体检测仪，确保每人一个反应器元件(吸附管)。由于配置了备用反应器组件及元件，实验时，每个学生实际上可以用2 个反应器元件轮换操作。将改性的和未改性的活性炭颗粒分别装填入2个吸附管中，然后组装到一用一备两个反应器组件上。测定时，先用一个组件测未改性活性炭的穿透曲线，完成后关停进气，直接取下反应器组件，更换成备用组件继续测改性活性炭的穿透曲线。这种利用反应器组件整体轮换的方式简便高效。同样任务条件下，每一批学生完成全部实验的周期为3小时左右。
与常规实验设备和实验方式对比，本发明装置实验操作便捷、效率高、周期短，所需购置的设备数量少、占地小，不仅节约资金，还减降了多个气体钢瓶的安全风险和耗材浪费。
实施例2：NO废气催化氧化催化剂优选研发。
仍然以上述装置的配置为例描述开展NO废气氧化催化剂筛选活性测试、进而优化催化剂配方的研究过程和效果。
烟/废气脱硝的一种可行的技术路线是将NO部分氧化成NO2，然后借助湿法脱硫脱硝装置将其吸收净化。由于低温低浓度条件下，NO的氧化过程非常缓慢，所以该技术路线的关键是研发出高效的催化氧化材料。研发过程中，拟采用浸渍法使不同载体负载上金属氧化物活性组分后的材料进行催化活性测试。
首先按10％负载率将6种金属氧化物分别负载到活性炭颗粒、活性炭纤维和氧化铝上，共制备了18种材料供筛选。活性测试时，分别测定材料在120、 140、160℃条件下的转化率。配置的模拟废气成分中，含O2 5％，NO 800ppm， N2为平衡气体，且全部由高压钢瓶提供气源。其他测试条件为：气体总流量 100ml/min，空速4000h‐1。测试结果如表1～表3所示：
表1活性炭颗粒为载体时各催化剂的氧化效率
表2活性炭纤维为载体时各催化剂的氧化效率
表3氧化铝颗粒为载体时各催化剂的氧化效率
通过上述测试，筛选出以V2O5和Bi2O3为活性组分的催化剂氧化NO效果最好，其中活性炭纤维和氧化铝负载的V2O5催化剂最接近工业废气氧化率50％左右的要求。
与常规管式反应炉或固定床催化反应实验装置(单反应器)对比效果如下：传统实验测试装置每次测试一个条件和一种催化材料，以每次测试周期3小时计，需要测54次，共计耗时162小时完成。如采用本发明图1的装置，配套 3台气体成分检测仪，可以将每个反应器组件分别一次性装填6种催化材料，并控制3个反应器组件分别在120、140和160℃条件下同时测定，不计算装填和调试耗时情况下完成上述实验任务只需要1个测试周期，共耗时3小时左右。本发明装置测试效率的大幅提升是显而易见的。
以上所述仅为本发明较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。例如，在理解本装置流程布局和模块结构的关键设计思想基础上，若对配套的仪表控制和监测手段的搭配进行调整，或对系统面板、支架、管路、底座及反应器材质等进行修饰、美化和改变，都不应视作超出本发明保护范围。实验装置主体功能部分未脱离本发明思想、而仅仅是在本装置基础上组合集成各种数据接口、自动化控制技术和实验管理软件的，也不应视作超出本发明保护范围。
Claims (6)
1.一种气态污染物净化的多功能实验装置，其特征在于：它包括配气系统、平行反应系统、检测监控系统、吹扫再生系统；所述配气系统包括依次连接的模拟气源、流量计、混合罐和气体流量分配器及其流量计；混合罐连接有水汽调节注射泵；所述平行反应系统包括若干可拆卸安装于支座上的反应器组件，反应器组件包括套筒及若干可拆卸安装于套筒内的反应器元件，各反应器元件的进气管路分别与气体流量分配器及其流量计的尾端可拆卸连接；所述吹扫再生系统包括气体加热罐，气体加热罐连接有吹扫气并通过气源支路与气体流量分配器及其流量计的前端连接；所述检测监控系统包括压力表、温度探头及配套温度显示仪表和加热控制器、气体成分监测仪；所述混合罐和气体加热罐均安装有压力表、安全阀和与温度显示仪表连接的温度探头，罐体外部均围绕安装有电热装置和保温层，电热装置与加热控制器连接；反应器元件的出气管路均依次与多通道切换阀和气体成分监测仪可拆卸连接；反应器组件之间呈并联或串联方式；每个反应器元件均设有与温度显示仪表连接的测温探头以及相应的温控电热装置；装置各部件之间管线均采用快速接头连接，并装有阀门。
2.根据权利要求1所述气态污染物净化的多功能实验装置，其特征在于：所述平行反应系统前，设置有若干预留管路接口。
3.根据权利要求1所述气态污染物净化的多功能实验装置，其特征在于：所述反应器组件包括反应器元件和套筒，反应器元件为反应管或反应床；所述套筒内部围绕其中心轴线均匀设有若干轴向的孔道，反应器元件插入孔道中固定；套筒的中心轴线处为一通孔，该通孔与支座上的凸棒对位或卡位以固定反应器组件，必要时套筒四周环面增设若干凹槽或固定圈，进一步将反应器组件通过挂架或支架固定在支座上；支座上的凸棒为可拆卸式，必要时更换成电加热棒。
4.根据权利要求3所述气态污染物净化的多功能实验装置，其特征在于：所述套筒的横截面外周形状或是圆形、或是正多边形、或是矩形；其外柱面或是全封闭，或是中间一截全敞开露出其内部孔道的一截，或是中间一截半敞开、对应于其内部各孔道位置开窗孔露出其内部孔道的一截。
5.根据权利要求1所述气态污染物净化的多功能实验装置，其特征在于：所述模拟气源为1～20种气体，通过钢瓶气体、风机、空气泵、鼓泡缓释或渗透管缓释、燃烧器及上述任意方式的组合提供模拟废气需要的成分和浓度。
6.根据权利要求1所述气态污染物净化的多功能实验装置，其特征在于：所述反应器组件数量为1～30个，反应器元件为1～36个。
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