CN113209921A - 微波耦合催化反应器以及VOCs处理设备 - Google Patents

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黄兆贺
单晓雯
程龙军
陶彬
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Abstract

本发明涉及VOCs处理技术领域，公开了一种微波耦合催化反应器以及VOCs处理设备。所述微波耦合催化反应器包括内部设有反应室的第一壳体和套设于所述第一壳体外的第二壳体，所述反应室内填充有催化剂，所述第二壳体的端部封闭于所述第一壳体的外表面以在所述第一壳体与所述第二壳体的径向之间形成密闭的波导空间，所述第一壳体上设置有多个连通所述反应室与所述波导空间的缝隙状的微波溃口，多个所述微波溃口沿所述反应室的周向间隔排布。本发明的微波耦合催化反应器能够实现催化剂的整体均匀加热，保证反应室内的所有催化剂均达到最佳反应状态，有效提高加热速度和反应效率，提高微波溃口的微波溃入效果，提高微波利用率，降低能耗。

Description

微波耦合催化反应器以及VOCs处理设备
技术领域
本发明涉及VOCs处理技术领域，具体地涉及一种微波耦合催化反应器以及VOCs处理设备。
背景技术
在VOCs(挥发性有机物)处理领域，通常采用电加热器或加热炉等加热含有VOCs的废气，进而通过热传导的方式由高温废气由下而上或由上而下逐层加热催化剂至反应温度。这种加热方式不仅加热时间长、能耗大，而且存在加热不均匀的现象，无法使所有催化剂达到最佳反应状态，易造成催化剂浪费、反应效率低等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种微波耦合催化反应器以及VOCs处理设备，以解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种微波耦合催化反应器，所述微波耦合催化反应器包括内部设有反应室的第一壳体和套设于所述第一壳体外的第二壳体，所述反应室内填充有催化剂，所述第二壳体的端部封闭于所述第一壳体的外表面以在所述第一壳体与所述第二壳体的径向之间形成密闭的波导空间，所述第一壳体上设置有多个连通所述反应室与所述波导空间的缝隙状的微波溃口，多个所述微波溃口沿所述反应室的周向间隔排布。
可选地，所述微波溃口为长方形，所述微波溃口的宽度为2mm-7mm。
可选地，所述第一壳体形成内部为圆柱腔的圆柱状，所述波导空间形成为环形，所述微波耦合催化反应器包括一个所述波导空间，所述波导空间的轴向长度与所述反应室的轴向长度之间的比值为0.5-1。
可选地，所述微波溃口设置为沿所述波导空间的轴向延伸或者倾斜于所述波导空间的轴向延伸，所述微波溃口的长度与所述波导空间的轴向长度之间的比值为0.5-1。
可选地，所述第一壳体形成内部为圆柱腔的圆柱状，所述波导空间形成为环形，所述波导空间的轴向长度与所述反应室的轴向长度之间的比值为0.1-0.5，所述微波耦合催化反应器包括多个所述波导空间，多个所述波导空间沿所述反应室的轴向间隔排布。
可选地，所述微波溃口的长度方向与所述波导空间的轴向之间的夹角为0-90°。
可选地，所述第一壳体形成内部为圆柱腔的圆柱状，所述波导空间形成为弧形，所述波导空间的轴向长度与所述反应室的轴向长度之间的比值为0.5-1，所述微波耦合催化反应器包括多个所述波导空间，多个所述波导空间沿所述反应室的周向间隔排布。
可选地，所述第一壳体形成内部为圆柱腔的圆柱状，所述微波耦合催化反应器包括一个所述波导空间，所述波导空间形成为沿所述反应室的轴向螺旋延伸的螺旋形。
可选地，所述波导空间的周向两端中的至少一端形成为微波输入端，所述微波耦合催化反应器包括微波发生器，所述微波发生器设置为从所述微波输入端向所述波导空间输入微波。
可选地，所述第一壳体内设置有用于限定所述反应室的内壳，所述内壳与所述第一壳体的径向和轴向之间均具有间隔，所述内壳的轴向两端分别盖设有密封盖，所述内壳的顶壁和底壁形成为格栅状，所述密封盖的与所述顶壁和底壁对应的部分形成为开口状，所述密封盖、所述内壳以及所述第一壳体之间限定形成环形密封区。
可选地，所述第一壳体上设置有与所述反应室连通的进气口和出气口，所述进气口位于所述第一壳体的底部，所述出气口位于所述第一壳体的顶部。
可选地，所述进气口和所述出气口处分别设置有微波屏蔽网和气体分布器。
可选地，所述内壳内设置有沿所述内壳的轴向间隔布置的多个隔网，所述催化剂填充于相邻两个所述隔网之间，相邻两个所述隔网之间的间距大于其所填充的所述催化剂的高度。
本发明另一方面提供一种VOCs处理设备，所述VOCs处理设备包括以上所述的微波耦合催化反应器。
本发明的微波耦合催化反应器通过在第一壳体外围设波导空间，并设置连通反应室与波导空间的多个微波溃口，波导空间内的微波可经微波溃口从不同方向进入反应室内，不仅能够实现催化剂的整体均匀加热，保证反应室内的所有催化剂均达到最佳反应状态，还能有效提高加热速度和反应效率；另外，本发明通过将微波溃口设置为缝隙状，能够有效防止进入反应室内的微波经微波溃口反射回波导空间，从而大大提高微波溃口的微波溃入效果，提高微波利用率，降低能耗，从而使得所述微波耦合催化反应器具有高效、安全、节能等优点，适于产业化应用。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明中微波耦合催化反应器的第一种实施方式的示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是本发明中微波耦合催化反应器的第二种实施方式的示意图；
图4是本发明中微波耦合催化反应器的第三种实施方式的示意图；
图5是本发明中微波耦合催化反应器的第四种实施方式的示意图；
图6是图5的俯视图；
图7是本发明中第二壳体与微波溃口的第一种配合方式的平面示意图；
图8是本发明中第二壳体与微波溃口的第二种配合方式的平面示意图；
图9是本发明中第二壳体与微波溃口的第三种配合方式的平面示意图；
图10是本发明中第二壳体与微波溃口的第四种配合方式的平面示意图；
图11是本发明中第二壳体与微波溃口的第五种配合方式的平面示意图；
图12是本发明中第二壳体与微波溃口的第六种配合方式的平面示意图；
图13是本发明中微波屏蔽网的结构示意图。
附图标记说明
10-第一壳体，11-微波溃口，12-内壳，13-隔网，14-密封盖，15-环形密封区，16-进气口，17-出气口，18-微波屏蔽网，19-气体分布器，20-第二壳体，21-波导空间，22-微波输入端。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是指参照附图1所示的方位。“内、外”是指相对于各部件本身轮廓的内、外。
本发明一方面提供一种微波耦合催化反应器，所述微波耦合催化反应器包括内部设有反应室的第一壳体10和套设于所述第一壳体10外的第二壳体20，所述反应室内填充有催化剂，所述第二壳体20的端部封闭于所述第一壳体10的外表面以在所述第一壳体10与所述第二壳体20的径向之间形成密闭的波导空间21，所述第一壳体10上设置有多个连通所述反应室与所述波导空间21的缝隙状(可以理解为是长度远大于宽度的长条状)的微波溃口11，多个所述微波溃口11沿所述反应室的周向间隔排布。
上述中，需要说明的是，所述催化剂可以是用于催化VOCs氧化的催化剂。所述反应室可供VOCs与催化剂发生催化氧化反应转化为二氧化碳和水蒸气，并释放热量。本发明通过采用微波和催化剂的双重耦合作用，利用微波的热效应和非热效应处理VOCs，微波的热效应具有快速加热、选择性加热的特性，能够使催化剂表面活性元素迅速处于高温状态，形成高温点位，加热耗时只需几分钟，从而大大缩短了催化剂的加热时长；微波的非热效应使得微波电场引起化合物中电偶极子的迅速转动，此过程视为分子搅拌，由于分子搅拌使介质将吸收的微波能传给催化剂晶格，加速催化剂晶格氧的释放和转移速率，从而显著提升了催化剂的反应效率。
本发明的微波耦合催化反应器通过在第一壳体10外围设波导空间21，并设置连通所述反应室与波导空间21的多个微波溃口11，波导空间21内的微波可经微波溃口11从不同方向进入所述反应室内，不仅能够实现催化剂的整体均匀加热，保证所述反应室内的所有催化剂均达到最佳反应状态，还能有效提高加热速度和反应效率；另外，本发明通过将微波溃口11设置为缝隙状，能够有效防止进入所述反应室内的微波经微波溃口11反射回波导空间21，从而大大提高微波溃口11的微波溃入效果，提高微波利用率，降低能耗，从而使得所述微波耦合催化反应器具有高效、安全、节能等优点，适于产业化应用。
本发明中，所述微波溃口11可以为任意适当的形状，例如长方形或椭圆形。根据本发明的一种优选实施方式，所述微波溃口11为长方形，所述微波溃口11的宽度优选为2mm-7mm。所述微波溃口11的延伸方向和数量可根据实际情况进行调整，只要能够保证微波溃入范围覆盖整个所述反应室即可，而且各个微波溃口11的形状、长度以及与波导空间21的轴向之间的角度可互不相同。
本发明中，第二壳体20可根据第一壳体10内所述催化剂的位置套设于第一壳体10外的对应位置，由此可通过微波溃口11将微波溃入对应位置的催化剂，微波可有效穿透对应位置的催化剂，使得催化剂迅速达到表面高温，从而实现快速加热，降低能耗，避免催化剂的浪费。
本发明中，第一壳体10和第二壳体20可具有任意适当的形状，例如圆柱形、方形等，两者限定形成的波导空间21可具有任意适当的形状，只要保证微波能够辐射到整个所述反应室即可。
其中，根据本发明的第一种实施方式，如图1和图2所示，所述第一壳体10形成内部为圆柱腔的圆柱状，所述波导空间21形成为环形，所述微波耦合催化反应器包括一个所述波导空间21，所述波导空间21的轴向长度与所述反应室的轴向长度之间的比值为0.5-1。在该实施方式中，所述微波溃口11设置为沿所述波导空间21的轴向延伸或者倾斜于所述波导空间21的轴向延伸(参见图7-图9)，所述微波溃口11的长度与所述波导空间21的轴向长度之间的比值可以为0.5-1，优选为0.4-0.8。这样能够使得经微波溃口11溃入的微波能够辐射到所述反应室的整个轴向。具体地，所述波导空间21的轴向长度可以为90cm，所述反应室的轴向长度可以为100cm，所述微波溃口11沿所述波导空间21的轴向延伸，所述微波溃口11的长度可以为70cm。当然，在其他方式中，也可以将微波溃口11设置为沿波导空间21的轴向间隔排布的多排，多排微波溃口11一起实现对所述反应室的整个轴向的辐射。
根据本发明的第二种实施方式，如图3所示，所述第一壳体10形成内部为圆柱腔的圆柱状，所述波导空间21形成为环形，所述波导空间21的轴向长度与所述反应室的轴向长度之间的比值为0.1-0.5，所述微波耦合催化反应器包括多个所述波导空间21，多个所述波导空间21沿所述反应室的轴向间隔排布。在这种实施方式中，所述微波溃口11的长度方向与所述波导空间21的轴向之间的夹角为0-90°，包括0°和90°(参见图7-图12)。所述微波耦合催化反应器相应地包括多个第二壳体20，也就是说，每个第二壳体20限定一个波导空间21。具体地，所述波导空间21的轴向长度可以为20cm，所述反应室的轴向长度可以为100cm，所述微波溃口11沿所述波导空间21的轴向延伸，所述微波溃口11的长度可以为17cm。
根据本发明的第三种实施方式，如图5和图6所示，所述第一壳体10形成内部为圆柱腔的圆柱状，所述波导空间21形成为弧形，所述波导空间21的轴向长度与所述反应室的轴向长度之间的比值为0.5-1，优选为0.8-1，所述微波耦合催化反应器包括多个所述波导空间21，多个所述波导空间21沿所述反应室的周向间隔排布。该实施方式与第一种实施方式的区别在于：在该实施方式中，沿所述反应室的周向设置的每个微波溃口11对应设置有一个波导空间21；而在第一种实施方式中，沿所述反应室的周向设置的全部微波溃口11共同对应一个波导空间21。
根据本发明的第四种实施方式，如图4所示，所述第一壳体10形成内部为圆柱腔的圆柱状，所述微波耦合催化反应器包括一个所述波导空间21，所述波导空间21形成为沿所述反应室的轴向螺旋延伸的螺旋形。在这种实施方式中，多个微波溃口11沿波导空间21的延伸方向间隔排布。
本发明中，参见图2，所述波导空间21的周向两端中的至少一端形成为微波输入端22，所述微波耦合催化反应器包括微波发生器，所述微波发生器设置为从所述微波输入端22向所述波导空间21输入微波。需要说明的是，第二壳体20的对应于微波输入端22的部分采用透波材料(例如石英板)制成，其他部分则采用不透波材料制成，这样能够隔离反应器内外气体及反应器内部的爆炸冲击力，其能够在保证微波加热功能的同时，保证反应器的整体安全，实现抗爆安全设计要求。
在波导空间21为环形的实施方式中，如图2所示，可将波导空间21在周向上去除一段以形成沿周向的两端，并使其中一端或者两端形成为微波输入端22。这样，微波能够沿波导空间21的周向进入波导空间21内。微波输入端22输入的微波频率可为433MHz、915MHz、2450MHz、5800MHz、22125MHz中的一种或两种以上不同微波频率的组合形式。
本发明中，如图1、图3或图4所示，所述第一壳体10内可设置有用于限定所述反应室的内壳12，所述内壳12与所述第一壳体10的径向和轴向之间均具有间隔，所述内壳12的轴向两端分别盖设有密封盖14，所述内壳12的顶壁和底壁形成为格栅状，所述密封盖14的与所述顶壁和底壁对应的部分形成为开口状，所述密封盖14、所述内壳12以及所述第一壳体10之间限定形成环形密封区15。通过上述设置，能够阻止进入第一壳体10内的待处理气体进入环形密封区15内，而使待处理气体集中通过所述反应室。而且环形密封区15的设置能够使得经微波溃口11进入的微波先进入环形密封区15，然后再进入所述反应室，这样能够防止待处理气体与微波直接接触。其中，可以理解的是，内壳12采用透波材料制成，密封盖14采用不透波材料制成。
本发明中，所述第一壳体10上设置有与所述反应室连通的进气口16和出气口17，所述进气口16用于供含有VOCs的待处理气体进入所述反应室，所述出气口17用于供所述反应室内产生的净化气体排出。其中，进气口16位于第一壳体10的底部，出气口17位于第一壳体10的顶部。
进一步地，为了防止第一壳体10内的微波泄漏，所述进气口16和所述出气口17处可分别设置有微波屏蔽网18(参见图1)。微波屏蔽网18的结构可参见图13。
另外，为了使待处理气体能够与所述反应室内的催化剂均匀接触，并以相同的流速通过整个所述反应室，所述进气口16和所述出气口17处可分别设置有气体分布器19(参见图1、图3-图5)。气体分布器19用于均匀分布气体，使待处理气体更好的分布于所述反应室内，以提高氧化反应的效果。
在反应时，待处理气体经进气口16进入所述第一壳体10内，在气体分布器19的均布作用下从内壳12的整个底壁区域均匀进入所述反应室内并沿所述反应室的轴向向上流动，在流动过程中，待处理气体中的VOCs在催化剂的催化作用下反应生成二氧化碳和水蒸气，并释放热量；所述反应室内产生的净化气体(包括二氧化碳、水蒸气以及待处理气体中除VOCs外的其他气体)经出气口17排出。
本发明中，参见图3和图4，所述内壳12内可设置有沿所述内壳12的轴向间隔布置的多个隔网13，所述催化剂填充于相邻两个所述隔网13之间，相邻两个所述隔网13之间的间距大于其所填充的所述催化剂的高度。这样，相邻两层催化剂之间可具有间隙，以增加微波穿透深度，进一步保证催化剂的有效穿透及整体均匀加热，使得所有催化剂达到最佳反应状态。
本发明中，第一壳体10采用不透波材料制成，以防止微波泄露对环境及人造成伤害；内壳12采用透波材料制成，以使微波可穿透进入所述反应室内加热催化剂，同时避免所述反应室内的气体直接与微波接触，从而实现抗爆安全要求；密封盖14采用不透波材料制成，以避免微波直接与待处理气体接触。其中，不透波材料可以是不锈钢，透波材料可以是云母。第一壳体10的整体设计压力最好大于VOCs的最大化学爆炸力，以保证反应器的安全性。催化剂可以为蜂窝状，以实现不同高度、不同截面积催化剂的填装。催化剂也可为颗粒状。
本发明中，内壳12可为方形体或圆柱体，所述反应室的轴向可与第一壳体10的轴向相同，也可以与第一壳体10的轴向之间存在夹角。
本发明另一方面提供一种VOCs处理设备，所述VOCs处理设备包括以上所述的微波耦合催化反应器。
进一步地，所述VOCs处理设备还可包括第一温度监测器和第二温度监测器，所述第一温度监测器用于监测催化剂的温度，所述第二温度监测器用于监测将要进入所述反应室的待处理气体的温度。这样可便于对微波发生器的输出功率的调节，以保证将催化剂加热到合适的反应温度。
为了提高所述VOCs处理设备的智能性和高效性，所述VOCs处理设备还可包括控制器，所述控制器分别与所述第一温度监测器、所述第二温度监测器以及微波发生器电连接，所述控制器设置为能够根据所述第一温度监测器和所述第二温度监测器监测的温度控制微波发生器的运行。所述控制器对微波发生器的运行的控制包括启动、关闭以及功率输出大小。
在使用时，当所述第二温度监测器监测的温度值大于所述第一温度监测器监测的温度值时，表明催化剂能够保持反应所需的最低温度，此时可通过所述控制器控制微波发生器关闭；当所述第二温度监测器监测的温度值小于所述第一温度监测器监测的温度值时，可通过所述控制器控制微波发生器启动，以加热催化剂，并根据两者差值大小控制微波发生器的功率输出大小。
本发明中，温度监测器可以是光纤传感器、红外传感器或温度变送器等。
进一步地，所述VOCs处理设备还可包括压力监测器，压力监测器可监测进气口16与出气口17之间的压差，获得反应器的阻力降，从而利于提高反应器的安全系数。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (14)

1.一种微波耦合催化反应器，其特征在于，所述微波耦合催化反应器包括内部设有反应室的第一壳体(10)和套设于所述第一壳体(10)外的第二壳体(20)，所述反应室内填充有催化剂，所述第二壳体(20)的端部封闭于所述第一壳体(10)的外表面以在所述第一壳体(10)与所述第二壳体(20)的径向之间形成密闭的波导空间(21)，所述第一壳体(10)上设置有多个连通所述反应室与所述波导空间(21)的缝隙状的微波溃口(11)，多个所述微波溃口(11)沿所述反应室的周向间隔排布。
2.根据权利要求1所述的微波耦合催化反应器，其特征在于，所述微波溃口(11)为长方形，所述微波溃口(11)的宽度为2mm-7mm。
3.根据权利要求1所述的微波耦合催化反应器，其特征在于，所述第一壳体(10)形成内部为圆柱腔的圆柱状，所述波导空间(21)形成为环形，所述微波耦合催化反应器包括一个所述波导空间(21)，所述波导空间(21)的轴向长度与所述反应室的轴向长度之间的比值为0.5-1。
4.根据权利要求3所述的微波耦合催化反应器，其特征在于，所述微波溃口(11)设置为沿所述波导空间(21)的轴向延伸或者倾斜于所述波导空间(21)的轴向延伸，所述微波溃口(11)的长度与所述波导空间(21)的轴向长度之间的比值为0.5-1。
5.根据权利要求1所述的微波耦合催化反应器，其特征在于，所述第一壳体(10)形成内部为圆柱腔的圆柱状，所述波导空间(21)形成为环形，所述波导空间(21)的轴向长度与所述反应室的轴向长度之间的比值为0.1-0.5，所述微波耦合催化反应器包括多个所述波导空间(21)，多个所述波导空间(21)沿所述反应室的轴向间隔排布。
6.根据权利要求5所述的微波耦合催化反应器，其特征在于，所述微波溃口(11)的长度方向与所述波导空间(21)的轴向之间的夹角为0-90°。
7.根据权利要求1所述的微波耦合催化反应器，其特征在于，所述第一壳体(10)形成内部为圆柱腔的圆柱状，所述波导空间(21)形成为弧形，所述波导空间(21)的轴向长度与所述反应室的轴向长度之间的比值为0.5-1，所述微波耦合催化反应器包括多个所述波导空间(21)，多个所述波导空间(21)沿所述反应室的周向间隔排布。
8.根据权利要求1所述的微波耦合催化反应器，其特征在于，所述第一壳体(10)形成内部为圆柱腔的圆柱状，所述微波耦合催化反应器包括一个所述波导空间(21)，所述波导空间(21)形成为沿所述反应室的轴向螺旋延伸的螺旋形。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的微波耦合催化反应器，其特征在于，所述波导空间(21)的周向两端中的至少一端形成为微波输入端(22)，所述微波耦合催化反应器包括微波发生器，所述微波发生器设置为从所述微波输入端(22)向所述波导空间(21)输入微波。
10.根据权利要求1-8中任意一项所述的微波耦合催化反应器，其特征在于，所述第一壳体(10)内设置有用于限定所述反应室的内壳(12)，所述内壳(12)与所述第一壳体(10)的径向和轴向之间均具有间隔，所述内壳(12)的轴向两端分别盖设有密封盖(14)，所述内壳(12)的顶壁和底壁形成为格栅状，所述密封盖(14)的与所述顶壁和底壁对应的部分形成为开口状，所述密封盖(14)、所述内壳(12)以及所述第一壳体(10)之间限定形成环形密封区(15)。
11.根据权利要求10所述的微波耦合催化反应器，其特征在于，所述第一壳体(10)上设置有与所述反应室连通的进气口(16)和出气口(17)，所述进气口(16)位于所述第一壳体(10)的底部，所述出气口(17)位于所述第一壳体(10)的顶部。
12.根据权利要求11所述的微波耦合催化反应器，其特征在于，所述进气口(16)和所述出气口(17)处分别设置有微波屏蔽网(18)和气体分布器(19)。
13.根据权利要求10所述的微波耦合催化反应器，其特征在于，所述内壳(12)内设置有沿所述内壳(12)的轴向间隔布置的多个隔网(13)，所述催化剂填充于相邻两个所述隔网(13)之间，相邻两个所述隔网(13)之间的间距大于其所填充的所述催化剂的高度。
14.一种VOCs处理设备，其特征在于，所述VOCs处理设备包括权利要求1-13中任意一项所述的微波耦合催化反应器。
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