CN110102181A - 一种用于VOCs催化氧化的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于VOCs催化氧化的装置和方法，适用于催化氧化一定浓度的VOCs气体。其特征在于：(1)本反应器为对称结构，且横截面为圆形；(2)本反应器入口段为渐扩型，出口段为渐缩型；(3)栅板位于反应器入口段与反应器主体段的交界面，且长度可随入口气速的大小进行调节；(4)催化床层为渐变催化床层。本发明结构简单、易于加工，气流在进入催化床层前的流场分布均匀，并且使得反应器内温度和速度降低，延长催化剂使用寿命。

Description

一种用于VOCs催化氧化的装置和方法
技术领域
本发明涉及挥发性有机物的去除技术领域，尤其是涉及VOCs催化氧化装置。
背景技术
随着经济的发展，各行各业向环境中排放了大量废气，比如燃烧行业在生物质和燃料燃烧的过程中会产生废气，船、车、飞机等交通工具在使用过程中会产生废气，石油化工行业产品加工会排放尾气，储存运输过程会排放尾气，漆涂、印刷、电镀、制药等等行业都会排放出大量的废气，挥发性有机物(VOCs)就存在于这些废气中，随之一起排入环境中。此外，VOCs不仅会对环境造成污染，同样还会对人体造成极大的危害。主要表现在以下方面：(1)致癌致毒性。许多有机溶剂，如二甲苯、甲苯、酮等都有很大的毒性，对人体器官及神经系统都会造成一定的损害，以甲苯为例，甲苯对皮肤、粘膜都有一定的刺激性，对中枢神经系统有麻醉作用。短时间内吸入较高浓度甲苯可造成急性中毒，轻者头晕恶心、意识模糊，重者抽搐昏迷。若是长时间接触还会引发神经衰弱，月经异常等症状； (2)光化学烟雾、有机气溶胶。VOCs在光的参与下，会和大气中的其他氧化物发生一系列复杂的化学反应，造成二次污染。同时VOCs还是目前比较关注的 PM2.5的前驱体。VOCs还可以和大气中的臭氧、氢氧自由基等发生多途径反应，生成二次有机气溶胶。(3)臭氧层破坏。氟氯烃等卤代烃会导致臭氧层破坏，使得致癌率升高，对人类生存环境产生极大影响。(4)气候改变。(5)易燃易爆。很多VOCs都易燃易爆，给人身安全造成隐患。并且，不同行业产生的VOCs 含量不同，性质不同，因此保证处理无残余的前提下，要保证使用的技术能够完全适应一定浓度范围内的废气。
在催化氧化VOCs的技术应用中，处理废气要保证进气的均匀性，以保证 VOCs能够与催化剂发生充分反应，使催化剂得以最大程度的利用，其次也能避免局部大量放热造成飞温对催化剂和设备造成损害。因此，开发出一种结构简单，加工操作便利，流场分布性能好的适用于VOCs催化氧化的反应器显得尤为重要。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种用于VOCs催化氧化的装置和方法，本发明提供的装置适用于不同风速情况下的结构简单、易于加工，流场分布好的VOCs催化氧化反应，示意图见图2。利用数值模拟软件fluent，并结合物理模型测试，本发明对反应装置的内部结构重新进行了设计，并对催化床层前30mm处的截面进行流场分布均匀性的考核。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现的：一种用于VOCs催化氧化的装置和方法，其特征在于：
(1)本反应器为对称结构，且横截面为圆形，反应器全长为L，筒体内径为D，入口内径d，反应器长度L与筒体直径D比例为15～20:1，筒体内径为D与入口内径d比例为2.5～4:1。在6D处设置加热炉盘，6.6D～8.4D处布置1.8D长的整体式催化剂；
(2)本反应器入口段为渐扩型，入口及渐扩长度为2.8D，扩散角为10～20°，出口段为渐缩型，长度、角度均与渐扩段一致；
(3)栅板位于反应器入口段与反应器主体段的交界面，即2.8D处；
(4)栅板的长度遵循如下规律：栅板位于反应器入口段与反应器主体段的交界面，其长度随流速的选取而变化，其变化遵从以下规律：格栅长度范围为 0.2D～0.3D时，入口气速为14-22m/s；格栅长度为0.3D～D时，入口气速小于14m/s。
(5)所述栅板间隙为不均匀间隙，栅板孔隙率40％～60％。因栅板为圆形对称结构，以中心为界，将中心栅板的一半设定为第一块栅板，即a1，栅板壁厚遵从如下规律：栅板和栅板之间距离
(6)一种用于VOCs催化氧化的方法：控制VOCs浓度小于10g/m3，流量不大于300L/min；通过加热炉盘将进入催化段的气体加热到反应温度；催化床层为负载Pt的不同孔隙率的多块催化剂组合而成，并按照孔隙率从大到小以 0.8-0.8-0.6-0.6-0.4的顺序排列；催化床层后端继续填充堇青石蓄热体，长度为 3.4D。
进一步地，用CFD软件fluent数值模拟来验证催化氧化反应是否能够发生并得到反应器内部温度。
用CFD软件fluent数值模拟过程所需模型如下：
(1)湍流模型
连续性方程：
K方程：
ε方程：
表示成统一的运输方程为：
式中各项从左到右依次为对流项、扩散项和源项
2)多孔介质模型
对于催化剂床层用多孔介质表示，其压损计算公式如下：
式中Si—i方向上动量源项，Pa/m；μ—流动动力粘度，Pa·s；α—介质渗透性；vi—i向速度分量，m/s；ρ—密度，kg/m3；C2—内部阻力因子，1/m。
(3)辐射模型
对于高温度下发生的反应，其辐射作用不可忽略，故利用DO模型。
模拟中，设置参数如下：甲苯混合气当量比为1，入口温度设为300K，其混合气体的热容量(C)、粘度(η)等性质根据各组分特性，采用质量加权平均来计算；整个系统为绝热，催化剂载体为泡沫氧化铝，其比重为650kg/m3、热容为824.7J/(kg·K)、热导率为4.23 W/(m·K)、衰减系数为1399、散射系数为1098、吸收系数为301；多孔介质区阻力系数(粘性阻力系数和惯性阻力系数) 按照以下公式进行计算：
其中粘性阻力系数为惯性阻力系数为
式中Kp为渗透率，CF为系数，d为为骨架直径，dp为孔隙水力直径，Vp为孔隙体积，S1为等效单元体方形通道中四周侧壁的表面面积，为孔隙率，L为单元体边长，Cx为阻流物体的阻力系数。
本发明可实现以下功能：
(1)综合考虑各种因素对于反应器内流场的影响，本发明仅需在进入反应主腔体之前添设栅板，并根据不同的进口速度范围合理选取栅板长度，使气体在进入催化段之前能够充分混合均匀，满足流场技术指标要求；
(2)反应器仅增设栅板，结构简单，易于制作；格栅间隔较大，孔隙率大，压损小，利于实际应用；
(3)通过控制催化床层孔隙率可以控制温度从而控制热力反应的进行，使得反应器内温度和速度都有所降低，避免催化剂烧结。
附图说明
图1为本发明的VOCs催化氧化反应器的结构示意图；
图2为本发明的VOCs催化氧化反应器和栅板的结构示意图；
图3为本发明的VOCs催化氧化反应器栅板的结构示意图；
图4是本发明的VOCs催化氧化反应器内部整体流速分布图(未设置栅板)；
图5是本发明的VOCs催化氧化反应器催化剂上游流速分布图(未设置栅板)；
图6是本发明的VOCs催化氧化反应器内部整体流速分布图(设置栅板)；
图7是本发明的VOCs催化氧化反应器催化剂上游流速分布图(设置栅板)；
图8是本发明的VOCs催化氧化反应器内温度差图。
具体实施方式
对反应器结构进行优化设计，内容包括：(1)反应器为对称结构(即横截面为圆形)；(2)本反应器入口段为渐扩型，扩散角为10～20°，出口段为渐缩型，长度、角度均与渐扩段一致；(3)本发明栅板位于渐扩入口段的特定位置，即反应器入口段与反应器主体段的交界面即2.8D处；(4)栅板孔隙率40％～60％。因栅板为圆形对称结构，以中心为界，将中心栅板的一半设定为第一块栅板，即a1，栅板壁厚遵从如下规律：栅板和栅板之间距离 (5)栅板长度满足：栅板位于反应器入口段与反应器主体段的交界面，其长度随流速的选取而变化，其变化遵从以下规律：格栅长度范围为0.2D～0.3D时，入口气速为14-22m/s；格栅长度为0.3D～D时，入口气速小于14m/s。
(1)反应器入口段要求
反应器入口段斜边与水平方向所成扩散角为10～20°，入口速度不大于 10m/s。
(2)反应器主体段参数要求
反应器主体段横截面气体流速一般应控制在1m/s以下。
(3)栅板位置参数
本发明的反应器入口段与反应器主体段的交界面即2.8D处，其中栅板长度满足：格栅在气流方向根据气速的大小调整长度，格栅长度范围为0.2D～0.3D时，入口气速为14-22m/s；格栅长度为0.3D～D时，入口气速小于14m/s。
(4)栅板间隙要求
栅板间隙为不均匀间隙，孔隙率为40％～60％。以中心为界，将中心栅板的一半设定为第一块栅板，即a1，栅板壁厚遵从如下规律：栅板和栅板之间距离通过调整栅板间隙和长度即可满足流场分布均匀的要求。
格栅长度范围为0.2D～0.3D时，入口气速为14-22m/s时，催化床层入口截面处面积加权均匀性指数均在0.9以上；格栅长度为0.3D～D时，入口气速不大于14m/s，催化床层入口截面处面积加权均匀性指数均在0.9以上。
实施例1：
本反应器反应器全长为1267mm，筒体内径为80mm，入口内径20mm，在 528mm处设置加热炉盘，558mm处布置150mm整体式催化剂；本反应器入口段为渐扩型，入口及渐扩长度为223mm，并且反应器入口段斜边与水平方向所成夹角为10°，出口段为渐缩型，长度、角度均与渐扩段一致，格栅规格为： a1＝5mm，栅板和栅板之间距离Δn＝10mm，格栅孔隙率为40％。
入口气体流速为14m/s，，格栅长度为60mm；气速面积加权均匀性指数可达0.9344，标准差小至0.2127。
入口气体流速为8m/s，格栅长度为45mm；气速面积加权均匀性指数可达 0.9143，标准差小至0.1518。
入口气体流速为22m/s，格栅长度为25mm；气速面积加权均匀性指数可达 0.9076，标准差小至0.2133。
实施例2
本反应器反应器全长为1267mm，筒体内径为80mm，入口内径30mm，在 528mm处设置加热炉盘，558mm处布置150mm整体式催化剂；本反应器入口段为渐扩型，入口及渐扩长度为223mm，并且反应器入口段斜边与水平方向所成夹角为15°，出口段为渐缩型，长度、角度均与渐扩段一致，格栅规格为： a1＝5mm，栅板和栅板之间距离Δn＝10mm，格栅孔隙率为40％。
入口气体流速为14m/s，格栅长度为60mm；气速面积加权均匀性指数可达 0.9136，标准差小至0.2264。
入口气体流速为8m/s，格栅长度为45mm；气速面积加权均匀性指数可达0.9258，标准差小至0.1643。
实施例3
选择规格为a1＝5mm，栅板和栅板之间距离Δn＝10mm，孔隙率为40％，长度为60mm的格栅进行流场优化的前提下，进行催化氧化反应的模拟：按照孔隙率从大到小以0.8-0.8-0.6-0.6-0.4的顺序排列催化床层，催化床层后端继续填充堇青石蓄热体，长度为270mm。催化段入口气体流速为2m/s，浓度为8000mg/m3，可使甲苯催化转化率从85％增加到89％，并且催化床层入口与出口速度差缩小1 倍，反应器进出口速度差缩小8倍，温度差缩小45K。

Claims (3)

1.一种用于VOCs催化氧化的装置，其特征在于：
(1)本反应器为对称结构，且横截面为圆形，反应器全长为L，筒体内径为D，入口内径d，反应器长度L与筒体直径D比例为15～20:1，筒体内径为D与入口内径d比例为2.5～4:1；在6D处设置加热炉盘，6.6D～8.4D处布置1.8D长的整体式催化剂；
(2)本反应器入口段为渐扩型，入口及渐扩长度为2.8D，扩散角为10～20°，出口段为渐缩型，长度、角度均与渐扩段一致。
2.如权利要求1所述的一种用于VOCs催化氧化的装置，其特征在于，
(1)格栅位于反应器入口段与反应器主体段的交界面，即2.8D处，栅板孔隙率40％～60％；因栅板为圆形对称结构，以中心为界，将中心栅板的一半设定为第一块栅板，即a1，栅板壁厚遵从如下规律：栅板和栅板之间距离
(2)栅板的长度遵循如下规律：栅板位于反应器入口段与反应器主体段的交界面，其长度随流速的选取而变化，其变化遵从以下规律：格栅长度范围为0.2D～0.3D时，入口气速为14-22m/s；格栅长度为0.3D～D时，入口气速小于14m/s。
3.一种用于VOCs催化氧化的方法，其特征在于，用以下方法控制VOCs浓度小于10g/m3，流量不大于300L/min；通过加热炉盘将进入催化段的气体加热到反应温度；催化床层为负载Pt的不同孔隙率的多块催化剂组合而成，并按照孔隙率从大到小以0.8-0.8-0.6-0.6-0.4的顺序排列；催化床层后端继续填充堇青石蓄热体，长度为3.4D。
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