CN113209922A - 微波耦合催化反应器以及VOCs处理设备 - Google Patents

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Sinopec Qingdao Safety Engineering Institute
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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壳体、多个催化剂床层以及微波加热组件，多个所述催化剂床层设置于所述反应室内并沿所述反应室的高度方向间隔排布，所述微波加热组件包括位于所述壳体内的多个同轴导线，多个所述同轴导线分别设置于多个所述催化剂床层之间的间隔内。本发明的微波耦合催化反应器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，降低能耗，避免催化剂的浪费，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。

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，包括内部设有反应室的壳体、多个催化剂床层以及微波加热组件，多个所述催化剂床层设置于所述反应室内并沿所述反应室的高度方向间隔排布，所述微波加热组件包括位于所述壳体内的多个同轴导线，多个所述同轴导线分别设置于多个所述催化剂床层之间的间隔内。
可选地，所述催化剂床层为方体形板状，并沿垂直于所述反应室高度的方向设置，每个所述间隔内设置有多个直线型的所述同轴导线。
可选地，所述同轴导线包括同轴套设的内导体和外导体，所述外导体上开设有多个微波溃口。
可选地，所述同轴导线设置为沿所述催化剂床层的宽度方向或长度方向延伸，每个所述间隔内的多个所述同轴导线沿所述催化剂床层的长度方向或宽度方向等间距排布。
可选地，多个所述微波溃口在所述外导体上等间距排布，该间距d与所述同轴导线在预定加热频率下的波长λ之间满足d＝λ或d＝λ/2。
可选地，每个所述间隔内的所述同轴导线的数量n、间距D1与所述催化剂床层的长度L满足n＝L/D1-1。
可选地，相邻的所述间隔内的所述同轴导线在所述反应室的高度方向上相互对齐或者错位。
可选地，相邻的所述间隔内的所述同轴导线的错开距离D2为所述间距D1的1/2。
可选地，每个所述间隔内的多个所述同轴导线沿所述催化剂床层的长度方向和宽度方向交错排布。
可选地，所述微波加热组件包括设置于所述壳体内的与多个所述同轴导线一一对应的多个透波外套，所述透波外套套设于所述同轴导线外并与所述同轴导线之间具有径向间隔以形成透波隔离区。
可选地，所述透波外套的两端连接于所述壳体，所述透波外套的两端与所述壳体之间设置有密封圈。
可选地，所述透波外套包括呈圆筒状的主体和分别设置于所述主体的两开口端外的环形安装边，所述主体同轴套设于所述同轴导线外，所述环形安装边连接于所述壳体的内壁，所述密封圈设置于所述环形安装边与所述壳体的内壁之间。
可选地，所述间距D1与所述主体的半径R之间满足D1≥2R。
可选地，所述微波加热组件包括多个波同转化器，所述波同转化器设置于所述壳体外，其中：
每个所述同轴导线对应两个所述波同转化器，所述同轴导线的两端均延伸至所述壳体外而分别与两个所述波同转化器连接，优选地，所述同轴导线的中部设置有短路面以断开来自两端的两个所述波同转化器的微波；或者
每个所述同轴导线对应一个所述波同转化器，所述同轴导线的一端延伸至所述壳体外而与所述波同转化器连接。
可选地，所述壳体上设置有与所述反应室连通的进气口和出气口，所述进气口和所述出气口处分别设置有微波屏蔽网。
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，所述催化剂床层由用于催化VOCs氧化的催化剂形成。
本发明的微波耦合催化反应器通过在反应室内间隔布置多个催化剂床层，并在催化剂床层之间的间隔内设置同轴导线，同轴导线可对上下两侧的催化剂床层加热，保证所有催化剂的整体均匀加热；而且同轴导线设在催化剂床层之间的形式使得催化剂床层的催化剂放置面均面向同轴导线，同轴导线发出的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，其加热速度快、耗能低，避免了催化剂的浪费，保证反应室内的所有催化剂均达到最佳反应状态，能够有效提高反应效率，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一种实施方式的结构示意图；
图2是本发明中微波耦合催化反应器的另一种实施方式的结构示意图；
图3是本发明中同一间隔内的多个同轴导线的一种实施方式的布置图；
图4是本发明中同一间隔内的多个同轴导线的另一种实施方式的布置图；
图5是本发明中同一间隔内的多个同轴导线的又一种实施方式的布置图；
图6是本发明中多个间隔内的同轴导线的一种实施方式的布置图；
图7是本发明中多个间隔内的同轴导线的另一种实施方式的布置图；
图8是本发明中同轴导线、透波外套与壳体的装配示意图；
图9是图8的纵向剖视图，其中示出了微波溃口的一种实施方式；
图10是图8的纵向剖视图，其中示出了微波溃口的另一种实施方式；
图11是图8的纵向剖视图，其中示出了微波溃口的又一种实施方式。
附图标记说明
10-壳体，101-进气口，102-出气口，11-催化剂床层，12-同轴导线，121-内导体，122-外导体，123-微波溃口，124-短路面，13-透波外套，131-透波隔离区，14-波同转化器，15-微波屏蔽网。
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，包括内部设有反应室的壳体10、多个催化剂床层11以及微波加热组件，多个所述催化剂床层11设置于所述反应室内并沿所述反应室的高度方向间隔排布，所述微波加热组件包括位于所述壳体10内的多个同轴导线12，多个所述同轴导线12分别设置于多个所述催化剂床层11之间的间隔内。也就是说，每相邻两个催化剂床层11之间的间隔内均设置有同轴导线12。
本发明的微波耦合催化反应器通过在所述反应室内间隔布置多个催化剂床层11，并在催化剂床层11之间的间隔内设置同轴导线12，同轴导线12可对上下两侧的催化剂床层11加热，保证所有催化剂的整体均匀加热；而且同轴导线12设在催化剂床层11之间的形式使得催化剂床层11的催化剂放置面均面向同轴导线12，同轴导线12发出的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，其加热速度快、耗能低，避免了催化剂的浪费，保证所述反应室内的所有催化剂均达到最佳反应状态，能够有效提高反应效率，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。
上述中，可以理解的是，所述催化剂床层11为由催化剂形成的具有一定形状的结构。当所述催化剂为用于催化VOCs氧化的催化剂时，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。
本发明中，所述壳体10上可设置有与所述反应室连通的进气口101和出气口102。进气口101可供含有VOCs的待处理气体进入所述反应室内，出气口102可供所述反应室内产生的净化气体排出。另外，所述进气口101和所述出气口102处可分别设置有微波屏蔽网15，以有效截止微波并使其保留在壳体10内，防止微波从所述进气口101和所述出气口102处泄漏。可以理解的是，微波屏蔽网15可允许气体通过。其中，进气口101和出气口102的设置位置可根据壳体10的具体形状进行调整。
本发明中，壳体10可具有任意适当的形状，而且壳体10可以是单层壳体结构，在这种情况下，壳体10的整个内部空间为所述反应室(例如图2所示)；壳体10也可以是双层壳体结构，在这种情况下，壳体10包括内壳和外壳，内壳设置于外壳内，内壳的内部形成所述反应室，进气口101和出气口102设置在外壳上(例如图1所示)。
根据本发明的一种实施方式，如图1所示，所述壳体10为双层壳体结构，壳体10包括呈圆柱状的外壳和方柱状的内壳，所述进气口101位于所述壳体10的底部，所述出气口102位于所述壳体10的顶部。这样，经进气口102进入的待处理气体可流过整个所述反应室，与所述反应室内的催化剂充分接触，从而提高反应效率和VOCs处理效果。
在反应时，待处理气体可经进气口101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)则经出气口102排出。
当然，在其他实施方式中，可将进气口101设置于壳体10的顶部，将出气口102设置于壳体10的底部，也就是说，待处理气体为上进下出。
本发明中，所述催化剂床层11可以具有任意适当的形状，作为优选，参见图1和图3-图5，催化剂床层11为方体形板状，并沿垂直于所述反应室高度的方向设置。
本发明中，所述同轴导线12可具有任意形状，例如直线型、曲线型等，每个所述间隔内可设置任意数量的同轴导线12，只要其加热范围能够覆盖整个催化剂床层11，使上下两侧的催化剂整体均匀加热即可。
根据本发明的一种实施方式，参见图3，每个所述间隔内设置有多个直线型的所述同轴导线12。其中，所述同轴导线12可设置为沿所述催化剂床层11的宽度方向(或长度方向)延伸，每个所述间隔内的多个所述同轴导线12沿所述催化剂床层11的长度方向(或宽度方向)等间距排布。通过上述设置，能够有效保证催化剂床层11的整体均匀加热，提高加热速度和反应效率。
上述中，每个同轴导线12在所述反应室内的延伸长度可等于催化剂床层11的宽度(或长度)，如图3所示。每个同轴导线12在所述反应室内的延伸长度也可小于催化剂床层11的宽度(或长度)，如图4所示，在这种情况下，可通过设置两个同轴导线12覆盖催化剂床层11的整个宽度(或长度)。
上述中，每个所述间隔内的所述同轴导线12的数量n、间距D1与所述催化剂床层11的长度L优选为满足n＝L/D1-1，这样能进一步保证催化剂床层11内的催化剂整体有效加热。
当然，在其他实施方式中，每个所述间隔内的多个同轴导线12也可与催化剂床层11的宽度方向呈一定角度布置，而且各同轴导线12之间也可相互不平行。例如图5所示，每个所述间隔内的多个所述同轴导线12沿所述催化剂床层11的长度方向和宽度方向交错排布。
本发明中，相邻的所述间隔内的所述同轴导线12可设置为在所述反应室的高度方向上相互对齐、错位或交错。
例如图6所示，相邻的所述间隔内的所述同轴导线12沿竖直方向错位布置。这样更有利于催化剂床层11内的催化剂的均匀加热。其中，作为优选，相邻的所述间隔内的所述同轴导线12的错开距离D2为所述间距D1的1/2。例如图7所示，相邻的所述间隔内的所述同轴导线12沿竖直方向对齐布置。在其他实施方式中，同轴导线12的布置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催化剂床层11即可。
本发明中，如图8所示，所述同轴导线12包括同轴套设的内导体121和外导体122，所述外导体122上开设有多个微波溃口123。使用时，内导体121发出的微波经微波溃口123溃入催化剂床层11。
其中，多个所述微波溃口123优选为在所述外导体122上等间距排布。具体地，多个所述微波溃口123沿外导体122的长度方向均匀地布置于外导体122的上下两侧，以保证对上、下两侧催化剂床层11的均匀加热。作为优选，相邻微波溃口123之间的间距d与所述同轴导线12在预定加热频率下的波长λ之间满足d＝λ或d＝λ/2。这样可满足催化剂整体加热的需求，避免催化剂的浪费，保证所有催化剂达到最佳反应状态，大大提高反应器的反应效率。
本发明中，所述微波溃口123可以为扇形切口(参见图9和图11)或平切口(参见图10)。其中，微波溃口123的角度可根据实际情况进行调整，例如可以为0-90°。
本发明中，如图8所示，所述微波加热组件可包括设置于所述壳体10内的与多个所述同轴导线12一一对应的多个透波外套13，所述透波外套13套设于所述同轴导线12外并与所述同轴导线12之间具有径向间隔以形成透波隔离区131。
通过在同轴导线12与催化剂床层11之间设置透波隔离区131，使得同轴导线12发出的微波可穿透透波外套13进入催化剂床层11内加热催化剂，同时又避免催化剂床层11内的待处理气体直接与同轴导线12接触，其使得同轴导线12的高电场强度不会对待处理气体产生影响，避免了打火放电现象的发生，从而保证反应器的整体安全，实现抗爆安全设计要求。而且上述设置结构紧凑、占用空间小。其中，透波外套13可以由玻璃、石英等透波材料制成。
其中，所述透波外套13的两端连接于所述壳体10，所述透波外套13的两端与所述壳体10之间设置有密封圈。具体地，如图8所示，所述透波外套13包括呈圆筒状的主体和分别设置于所述主体的两开口端外的环形安装边，所述主体同轴套设于所述同轴导线12外，所述环形安装边连接(例如通过螺接的方式)于所述壳体10的内壁(也就是说，所述环形安装边位于壳体10内)，所述密封圈设置于所述环形安装边与所述壳体10的内壁之间。所述密封圈的设置能够实现待处理气体与同轴导线12的有效隔离，从而避免待处理气体接触同轴导线12造成安全事故。
在其他实施方式中，透波外套13的环形安装边也可与壳体10的外壁连接(也就是说，环形安装边伸出壳体10外，在这种情况下，所述密封圈设置于所述环形安装边与所述壳体10的外壁之间)，以方便透波外套13的安装拆卸。
本发明中，所述间距D1与所述主体的半径R之间优选为满足D1≥2R。这样能够在保证催化剂床层整体均匀加热的同时，保证设置合适数量的同轴导线12，以避免增加多余同轴导线12导致成本高的问题。
本发明中，所述微波加热组件可包括多个波同转化器14，所述波同转化器14设置于所述壳体10外，其中，根据本发明的一种实施方式，如图3和图4所示，每个所述同轴导线12对应一个所述波同转化器14，所述同轴导线12的一端延伸至所述壳体10外而与所述波同转化器14连接。
根据本发明的另一种实施方式，如图5所示，每个所述同轴导线12对应两个所述波同转化器14，所述同轴导线12的两端均延伸至所述壳体10外而分别与两个所述波同转化器14连接。在这种实施方式中，所述同轴导线12的中部可设置有短路面124以断开来自两端的两个所述波同转化器14的微波。当然，也可不设置短路面124，以使来自两端的两个所述波同转化器14的微波连通。
其中，不同层的波同转化器14在所述反应室的高度方向上可对齐设置，也可错位设置。所述微波加热组件还可包括微波发生器，所述波同转化器14连接于所述微波发生器。
在使用时，微波通过波同转化器14由内导体121及外导体122传输，传输之后通过微波溃口123散射至透波隔离区131内，然后透过透波外套13辐射至上、下两侧的催化剂床层11。
本发明中，当微波的最大趋肤深度为H时，在一种实施方式中，每个催化剂床层11的厚度均为H；在另一种实施方式中，位于最上方和最下方的两个催化剂床层11的厚度可以为H，位于中间的催化剂床层11的厚度可以为2H。
本发明中，壳体10采用不透波材料制成。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。每个催化剂床层11可通过透波格栅支撑。进气口101和出气口102处可分别设置气体分布器，以用于均匀分布气体，使待处理气体更好的分布于所述反应室内与催化剂充分接触，从而提高氧化反应的效果。
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，所述催化剂床层11由用于催化VOCs氧化的催化剂形成。
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床层11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。
在反应时，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101与出气口102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。所述压力监测器可以采用压力变送器。
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 (13)

1.一种微波耦合催化反应器，其特征在于，包括内部设有反应室的壳体(10)、多个催化剂床层(11)以及微波加热组件，多个所述催化剂床层(11)设置于所述反应室内并沿所述反应室的高度方向间隔排布，所述微波加热组件包括位于所述壳体(10)内的多个同轴导线(12)，多个所述同轴导线(12)分别设置于多个所述催化剂床层(11)之间的间隔内。
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，
所述催化剂床层(11)为方体形板状，并沿垂直于所述反应室高度的方向设置，每个所述间隔内设置有多个直线型的所述同轴导线(12)；和/或
所述同轴导线(12)包括同轴套设的内导体(121)和外导体(122)，所述外导体(122)上开设有多个微波溃口(123)。
3.根据权利要求2所述的微波耦合催化反应器，其特征在于，
所述同轴导线(12)设置为沿所述催化剂床层(11)的宽度方向或长度方向延伸，每个所述间隔内的多个所述同轴导线(12)沿所述催化剂床层(11)的长度方向或宽度方向等间距排布；和/或
多个所述微波溃口(123)在所述外导体(122)上等间距排布，该间距d与所述同轴导线(12)在预定加热频率下的波长λ之间满足d＝λ或d＝λ/2。
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，
每个所述间隔内的所述同轴导线(12)的数量n、间距D1与所述催化剂床层(11)的长度L满足n＝L/D1-1；和/或
相邻的所述间隔内的所述同轴导线(12)在所述反应室的高度方向上相互对齐或者错位。
5.根据权利要求4所述的微波耦合催化反应器，其特征在于，相邻的所述间隔内的所述同轴导线(12)的错开距离D2为所述间距D1的1/2。
6.根据权利要求2所述的微波耦合催化反应器，其特征在于，每个所述间隔内的多个所述同轴导线(12)沿所述催化剂床层(11)的长度方向和宽度方向交错排布。
7.根据权利要求4所述的微波耦合催化反应器，其特征在于，所述微波加热组件包括设置于所述壳体(10)内的与多个所述同轴导线(12)一一对应的多个透波外套(13)，所述透波外套(13)套设于所述同轴导线(12)外并与所述同轴导线(12)之间具有径向间隔以形成透波隔离区(131)。
8.根据权利要求7所述的微波耦合催化反应器，其特征在于，所述透波外套(13)的两端连接于所述壳体(10)，所述透波外套(13)的两端与所述壳体(10)之间设置有密封圈。
9.根据权利要求8所述的微波耦合催化反应器，其特征在于，所述透波外套(13)包括呈圆筒状的主体和分别设置于所述主体的两开口端外的环形安装边，所述主体同轴套设于所述同轴导线(12)外，所述环形安装边连接于所述壳体(10)的内壁，所述密封圈设置于所述环形安装边与所述壳体(10)的内壁之间。
10.根据权利要求9所述的微波耦合催化反应器，其特征在于，所述间距D1与所述主体的半径R之间满足D1≥2R。
11.根据权利要求1-10中任意一项所述的微波耦合催化反应器，其特征在于，所述微波加热组件包括多个波同转化器(14)，所述波同转化器(14)设置于所述壳体(10)外，其中：
每个所述同轴导线(12)对应两个所述波同转化器(14)，所述同轴导线(12)的两端均延伸至所述壳体(10)外而分别与两个所述波同转化器(14)连接，优选地，所述同轴导线(12)的中部设置有短路面(124)以断开来自两端的两个所述波同转化器(14)的微波；或者
每个所述同轴导线(12)对应一个所述波同转化器(14)，所述同轴导线(12)的一端延伸至所述壳体(10)外而与所述波同转化器(14)连接。
12.根据权利要求1-10中任意一项所述的微波耦合催化反应器，其特征在于，所述壳体(10)上设置有与所述反应室连通的进气口(101)和出气口(102)，所述进气口(101)和所述出气口(102)处分别设置有微波屏蔽网(15)。
13.一种VOCs处理设备，其特征在于，所述VOCs处理设备包括权利要求1-12中任意一项所述的微波耦合催化反应器，所述催化剂床层(11)由用于催化VOCs氧化的催化剂形成。
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