CN114751503B - 一种适用于轻质催化剂的臭氧氧化反应装置 - Google Patents

一种适用于轻质催化剂的臭氧氧化反应装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于轻质催化剂的臭氧氧化反应装置，包括壳体内自下而上设置的进料区、流化床反应区、稳流区和分离区，壳体和流化床反应区、稳流区之间还设置有回流区，流化床反应区内设置有若干流化床层，流化床层与流化床反应区的侧壁的连接处设置有连通回流区的循环孔，进料区内设置有进料口和进气装置，稳流区内设置有出料口，分离区内设置有分离器，经分离器分离出的气体通过壳体顶部的出气口排出，经分离器分离出的液体和固体进入回流区。本发明有效的解决流化床催化剂利用率低和存在反应死角的难题，提高臭氧利用效率、降低催化剂使用量，最终达到提高除了效果，降低运行费用的目的。

Description

一种适用于轻质催化剂的臭氧氧化反应装置
技术领域
本发明属于化学反应器技术领域，具体公开了一种适用于轻质催化剂的臭氧氧化反应装置，可用于催化臭氧氧化废水。
背景技术
臭氧在水处理方面具有处理效率高、氧化彻底且无二次污染等优点，在处理工业废水中已得到了广泛关注。单一臭氧氧化废水，臭氧利用率低，处理效果有限，而催化臭氧氧化技术可显著提高臭氧利用率及废水处理效果，是一种高效绿色的污水处理技术，近年来臭氧催化氧化成为工业污水处理领域的研究热点。非均相催化臭氧氧化技术中催化剂以固体形式存在，因此不存在催化剂的分离回收问题，具有很高的应用价值，非均相臭氧催化氧化过程为气液固三相反应，其臭氧利用率及氧化效率受传质影响较大，因此提高气液固的传质效率可有效提高非均相臭氧催氧化的氧化效率。
由于常规臭氧催化剂密度较废水大，通常在水中呈现沉积或者半沉积状态，此时催化剂仅分布于反应体系的一小部分。为了提高催化臭氧氧化效果，通常需要加大催化剂的投加量来确保催化剂与臭氧的充分接触。催化剂量的增加不仅导致进水压力的增加，同时催化剂挤压更易造成催化剂的破损，这不仅增加了投资成本，同时也增加了运行成本。
为了有效解决催化剂过量使用的问题，更多学者将目光投向轻质催化剂，其密度与水相近，水力扰动下会悬浮于水中，能够有效解决上述问题。专利CN111437818A(一种新型处理废水的非均相臭氧催化剂及其制备方法)公布了一种低密度毫米级催化剂，其利用流体流动强化气液固传质，且制备方法简单。专利CN111013507A(一种金属掺杂的空心二氧化硅微球及其制备方法与应用)公布了一种骨架牢固且粒度均一的金属掺杂的空心二氧化硅微球。可见轻质催化剂的研究已较为成熟，但使用传统的催化臭氧氧化装置，通常会出现催化剂利用率低、催化剂沉积水流死角导致催化臭氧氧化效果不能充分发挥。
因此，为解决常规催化臭氧氧化装置使用轻质催化剂时的问题，提供一种适合于轻质催化剂的装置成为了亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明目的在于有效的解决流化床催化剂利用率低和存在反应死角的难题，提高臭氧利用效率、降低催化剂使用量，最终达到提高反应效率、降低运行费用的目的。
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种适用于轻质催化剂的臭氧氧化反应装置，包括：壳体内自下而上设置的进料区、流化床反应区、稳流区和分离区，所述壳体和所述流化床反应区、所述稳流区之间还设置有回流区，
所述流化床反应区内设置有若干流化床层，所述流化床层与所述流化床反应区的侧壁的连接处设置有连通所述回流区的循环孔，
所述进料区内设置有进料口和进气装置，
所述稳流区内设置有出料口，
所述分离区内设置有分离器，经所述分离器分离出的气体通过所述壳体顶部的出气口排出，经所述分离器分离出的液体和固体进入所述回流区。
进一步的，所述回流区内设置有纵向的第一隔板，所述第一隔板将所述回流区分隔为两个对称设置的半圆环柱，每个所述半圆环柱内设置有两个纵向设置的第二隔板，所述第二隔板将所述半圆环柱分隔为位于中间的催化剂回流区和两侧的反应液回流区，所述循环孔位于所述催化剂回流区内，所述反应液回流区的顶部设置有滤网。反应混合物上升至分离区后，经分离后的气体从顶部出气口排除，固液混合物向下进入回流区，其中由于滤网的阻挡，固态的催化剂进入催化剂回流区，液体进入反应液回流区。
进一步的，在所述半圆环柱内，两个所述第二隔板的顶部间距大于底部间距。也即，所述催化剂回流区向下收窄，使得催化剂回流区内流速自上而下逐渐加快，与流化床反应区内的流速的差距也逐渐增大，底部出液速度快，保证循环孔处速度差带来的扰动和卷吸，可提高气体利用率。该设计同时解决了因液流中存在催化剂而难以实现保证催化剂不损坏的同时实现机械驱动回流。
进一步的，在所述半圆环柱内，两个所述第二隔板在所述循环孔的两侧对称设置。
进一步的，所述半圆环柱的底部连通回流驱动区，所述回流驱动区为弧形，所述回流驱动区内被分隔为位于中间的催化剂通道和位于两侧的反应液通道，所述催化剂通道和所述反应液通道对应所述催化剂回流区和所述反应液回流区设置，两个所述反应液通道的出口在所述催化剂通道的出口的下方汇合形成回流液出口，所述催化剂通道的出口和所述回流液出口位于所述进料区。上下分布的催化剂通道的出口和回流液出口可保证回流液出口出液带动催化剂和液体的回流。
进一步的，所述分离器的纵截面为纺锤形，所述纺锤形的边为向内凹陷的弧。分离器的弧形界面可实现对反应混合物的导流作用，不仅可以实现气体和液体的分离，还可改变运动下的催化剂轨迹，避免撞击破损。
进一步的，所述进气装置为曝气装置。
进一步的，所述流化床反应区的直径满足其中，/>为所述壳体的直径，/>为所述流化床反应区的直径。
进一步的，所述流化床层均匀分布于所述流化床反应区的两侧，所述流化床层的数量为H＜A＜4H，其中H为所述壳体的高度，A为所述流化床层的数量。
进一步的，两侧的所述流化床层交替设置。
进一步的，所述流化床层的长度为其中ρ1为所述轻质催化剂的密度，ρ2为物料的液体密度，μ为所述流化床层的摩擦系数，g为重力加速度，/>为所述流化床反应区的直径，/>为所述轻质催化剂的粒径，L为所述流化床层的长度。
进一步的，所述流化床层和水平面的角度满足arctanμ＜θ＜30°，其中，μ为所述流化床层的摩擦系数，θ为所述流化床层和水平面之间的角度。
进一步的，所述循环孔的孔径满足其中/>为所述轻质催化剂的粒径，/>为所述循环孔的孔径过大会导致形成局部回流，过小会使催化剂堵塞循环孔。
进一步的，所述轻质催化剂的密度满足ρ2＜ρ1＜1.2ρ2，所述轻质催化剂的粒径为1～10mm，所述轻质催化剂的投加量为其中ρ1为所述轻质催化剂的密度，ρ2为物料的液体密度，/>为所述壳体的直径，H为所述壳体的高度。
进一步的，所述稳流区高度为0.01H～0.1H，其中H为所述壳体的高度。
进一步的，所述稳流区顶部的直径小于底部的直径。缩径的设计可使得稳流区出水流速增加，提高催化剂流速有利于催化剂汇集于催化剂回流区，避免催化剂过于分散导致反应液回流区滤网堵塞。
轻质催化剂受臭氧曝气和水流作用随水流在流化床层表面流动，在反应区和回流区循环。稳流区用于实现物料和催化剂的稳定流动，降低扰动。分离区实现臭氧尾气和轻质催化剂、物料的分离，分离出的臭氧尾气排出，物料和轻质催化剂进入回流区。回流区受底部曝气形成的负压导致进入其中的轻质催化剂和物料受压力驱使向下流动和反应区形成循环。循环孔可实现沉积在流化床层上的催化剂进入回流区和死角处的液体受流速差的影响流入回流区。
本发明的有益效果在于：
1.回流区与反应区床层上底角存在循环孔，可有效地将上升流流化床死区内的催化剂循环起来，提高催化剂的利用率。而隔板的设置可通过对流速差的设计实现对死区催化剂的更有效扰动和卷吸，根据伯努力方程，针对反应器某一点，两侧由于反应区和回流区流速差异，存在压强差，推动死区流体携带催化剂通过循环孔进入回流区，从而提高气体和催化剂的利用率、实现机械驱动回流。
2.本发明中床层与水平存在的角度，可减少流体上升过程中的床层能量损耗，节约能量可用于床层间的微射流，由于床层较水平上调一定角度使得下床层端头与上床层组合形成微射流器，流体经过时形成湍性射流，通过边界上活跃的湍流混合将周围流体卷吸进来。减少死区面积。
附图说明
图1是本发明所述适用于轻质催化剂的臭氧氧化反应装置的结构示意图。
图2是回流区中半圆环柱的结构示意图。
图3是回流驱动区的结构示意图。
图4是回流驱动区的出口的结构示意图。
其中：1是流化床层，2是循环孔，3是分离器，4是滤网，5是出气口，6是出料口，7是进料口，8是曝气装置，9是稳流区，10是分离区，11是流化床反应区，12是回流区，13是回流驱动区；1201是反应液回流区，1202是催化剂回流区；1301是反应液通道，1302是催化剂通道，1303是催化剂通道的出口，1304是回流液出口。
具体实施方式
如图1-4所示的一种适用于轻质催化剂的臭氧氧化反应装置，包括：壳体内自下而上设置的进料区、流化床反应区、稳流区和分离区，所述壳体和所述流化床反应区、所述稳流区之间还设置有回流区，所述流化床反应区内设置有若干流化床层，所述流化床层与所述流化床反应区的侧壁的连接处设置有连通所述回流区的循环孔，所述进料区内设置有进料口和进气装置，所述稳流区内设置有出料口，所述分离区内设置有分离器，经所述分离器分离出的气体通过所述壳体顶部的出气口排出，经所述分离器分离出的液体和固体进入所述回流区。
所述回流区内设置有纵向的第一隔板，所述第一隔板将所述回流区分隔为两个对称设置的半圆环柱，每个所述半圆环柱内设置有两个纵向设置的第二隔板，所述第二隔板将所述半圆环柱分隔为位于中间的催化剂回流区和两侧的反应液回流区，所述循环孔位于所述催化剂回流区内，所述反应液回流区的顶部设置有滤网。
在所述半圆环柱内，两个所述第二隔板的顶部间距大于底部间距。
在所述半圆环柱内，两个所述第二隔板在所述循环孔的两侧对称设置。
所述半圆环柱的底部连通回流驱动区，所述回流驱动区为弧形，所述回流驱动区内被分隔为位于中间的催化剂通道和位于两侧的反应液通道，所述催化剂通道和所述反应液通道对应所述催化剂回流区和所述反应液回流区设置，两个所述反应液通道的出口在所述催化剂通道的出口的下方汇合形成回流液出口，所述催化剂通道的出口和所述回流液出口位于所述进料区。
所述分离器的纵截面为纺锤形，所述纺锤形的边为向内凹陷的弧。
所述进气装置为曝气装置。
所述流化床反应区的直径满足其中，/>为所述壳体的直径，/>为所述流化床反应区的直径。
所述流化床层均匀分布于所述流化床反应区的两侧，所述流化床层的数量为H＜A＜4H，其中H为所述壳体的高度，A为所述流化床层的数量。
两侧的所述流化床层交替设置。
所述流化床层的长度为其中ρ1为所述轻质催化剂的密度，ρ2为物料的液体密度，μ为所述流化床层的摩擦系数，g为重力加速度，/>为所述流化床反应区的直径，/>为所述轻质催化剂的粒径，L为所述流化床层的长度。
所述流化床层和水平面的角度满足arctanμ＜θ＜30°，其中，μ为所述流化床层的摩擦系数，θ为所述流化床层和水平面之间的角度。
所述循环孔的孔径满足其中/>为所述轻质催化剂的粒径，/>为所述循环孔的孔径过大会导致形成局部回流，过小会使催化剂堵塞循环孔。
所述轻质催化剂的密度满足ρ2＜ρ1＜1.2ρ2，所述轻质催化剂的粒径为1～10mm，所述轻质催化剂的投加量为其中ρ1为所述轻质催化剂的密度，ρ2为物料的液体密度，/>为所述壳体的直径，H为所述壳体的高度。
所述稳流区高度为0.01H～0.1H，其中H为所述壳体的高度。
所述稳流区顶部的直径小于底部的直径。
实施例1
选取某农药废水污水站尾水，采用上述装置，通过催化臭氧氧化技术进行深度处理，达标排放。尾水水量200t/d，密度ρ2为1.1g/cm3，初始COD 500mg/L，pH7.8，设计出水COD为350mg/L。通过控制反应时间为2h，轻质催化剂密度ρ1为1.2g/cm3，粒径控制在5mm，投加量0.32m3。装置高H＝8m，直径/>装置直径/>与流化床反应区直径为/>的比为1.3，循环孔孔径为/>流化床摩擦系数μ＝0.6，数量A＝3H，长度L＝0.5m，角度θ为15°。尾水通过进料口7进入反应装置，待装置进水完成，启动曝气装置8，此时轻质催化剂和尾水受曝气装置8发出的臭氧气泡推动，开始在流化床反应区11悬浮流动。轻质催化剂由流化床反应区11底部逐渐上升至稳流区9，逐渐至分离区10，催化剂在分离区10进行分离，催化剂回落至催化剂回流区1202并流落至回流区12底部，通过回流驱动区13、进料区再次进入流化床反应区11形成循环。流化床反应区11内各流化床层里角催化剂和尾水通过循环孔2进入回流区12。反应结束后，液体通过出料口6排出，分离的臭氧尾气通过出气口5排出。根据检测，出水COD稳定在200mg/L，且未发现催化剂损坏，处理效果好，运行稳定。
实施例2
实验选取某化工废水污水站尾水，采用上述装置，通过催化臭氧氧化技术进行深度处理，达标排放。尾水水量500t/d，密度ρ2为1.15g/cm3，初始COD 550mg/L，pH7.8，设计出水COD为350mg/L。选取轻质催化剂密度ρ1为1.3g/cm3，粒径控制在6mm，投加量1.6m3。装置高H＝9m，直径/>装置直径/>与流化床反应区直径/>的比为1.35，循环孔孔径为 流化床摩擦系数μ＝0.6，数量A＝2.5H，长度L＝0.72m，角度θ为15°。尾水通过进料口7进入反应装置，待装置进水完成，启动曝气装置8，此时轻质催化剂和尾水受曝气装置8发出的臭氧气泡推动，开始在流化床反应区11悬浮流动。轻质催化剂由流化床反应区11底部逐渐上升至稳流区9，逐渐至分离区10，催化剂在分离区10进行分离，催化剂回落至催化剂回流区1202并流落至回流区12底部，通过回流驱动区13、进料区再次进入流化床反应区11形成循环。流化床反应区11内各流化床层里角催化剂和尾水通过循环孔2进入回流区12。反应结束后，液体通过出料口6排出，分离的臭氧尾气通过出气口5排出。
作为对比，采用常规催化臭氧氧化装置处理尾水，采用相同的轻质催化剂，催化剂密度、粒径、投加量和上述相同，反应时间均为2h。该装置高9m，催化床层分三级布置装置上、中、下位置，直径臭氧底部曝气，催化剂在床层间浮动。初始时，催化剂受水里扰动在水中悬浮碰撞，后逐渐沉落于两侧装置死角，仅少量催化剂参与反应。此外，由于曝气扰动，导致催化剂无规则运动，碰撞明显，导致1％催化剂破损，同时各层见催化剂密度难以平衡控制保证所有床层催化剂悬浮水中。通过检测结果发现，本发明装置出水COD稳定于330mg/L，而常规装置仅为420mg/L，同时常规装置存在1％的催化剂破损。

Claims (11)

1.一种适用于轻质催化剂的臭氧氧化反应装置，其特征在于，包括：壳体内自下而上设置的进料区、流化床反应区、稳流区和分离区，所述壳体和所述流化床反应区、所述稳流区之间还设置有回流区，
所述流化床反应区内设置有若干流化床层，所述流化床层与所述流化床反应区的侧壁的连接处设置有连通所述回流区的循环孔，
所述进料区内设置有进料口和进气装置，
所述稳流区内设置有出料口，
所述分离区内设置有分离器，经所述分离器分离出的气体通过所述壳体顶部的出气口排出，经所述分离器分离出的液体和固体进入所述回流区；
所述回流区内设置有纵向的第一隔板，所述第一隔板将所述回流区分隔为两个对称设置的半圆环柱，每个所述半圆环柱内设置有两个纵向设置的第二隔板，所述第二隔板将所述半圆环柱分隔为位于中间的催化剂回流区和两侧的反应液回流区，所述循环孔位于所述催化剂回流区内，所述反应液回流区的顶部设置有滤网。
2.根据权利要求1所述的适用于轻质催化剂的臭氧氧化反应装置，其特征在于，在所述半圆环柱内，两个所述第二隔板的顶部间距大于底部间距。
3.根据权利要求2所述的适用于轻质催化剂的臭氧氧化反应装置，其特征在于，两个所述第二隔板在所述循环孔的两侧对称设置。
4.根据权利要求1所述的适用于轻质催化剂的臭氧氧化反应装置，其特征在于，所述半圆环柱的底部连通回流驱动区，所述回流驱动区为弧形，所述回流驱动区内被分隔为位于中间的催化剂通道和位于两侧的反应液通道，所述催化剂通道和所述反应液通道对应所述催化剂回流区和所述反应液回流区设置，两个所述反应液通道的出口在所述催化剂通道的出口的下方汇合形成回流液出口，所述催化剂通道的出口和所述回流液出口位于所述进料区。
5.根据权利要求1所述的适用于轻质催化剂的臭氧氧化反应装置，其特征在于，所述分离器的纵截面为纺锤形，所述纺锤形的边为向内凹陷的弧。
6.根据权利要求1所述的适用于轻质催化剂的臭氧氧化反应装置，其特征在于，所述流化床反应区的直径满足，其中，/>为所述壳体的直径，/>为所述流化床反应区的直径，/>和/>的单位为m。
7.根据权利要求1所述的适用于轻质催化剂的臭氧氧化反应装置，其特征在于，所述流化床层均匀分布于所述流化床反应区的两侧，所述流化床层的数量为，其中H为所述壳体的高度，A为所述流化床层的数量，H的单位为m。
8.根据权利要求1所述的适用于轻质催化剂的臭氧氧化反应装置，其特征在于，所述流化床层的长度为，其中/>为所述轻质催化剂的密度，/>为物料的液体密度，/>为所述流化床层的摩擦系数，g为重力加速度，/>为所述流化床反应区的直径，/>为所述轻质催化剂的粒径，L为所述流化床层的长度，/>和L的单位为m，/>的单位为mm。
9.根据权利要求1所述的适用于轻质催化剂的臭氧氧化反应装置，其特征在于，所述流化床层和水平面的角度满足，其中，/>为所述流化床层的摩擦系数，为所述流化床层和水平面之间的角度。
10.根据权利要求1所述的适用于轻质催化剂的臭氧氧化反应装置，其特征在于，所述循环孔的孔径满足，其中/>为所述轻质催化剂的粒径，/>为所述循环孔的孔径，/>和/>的单位为mm。
11.根据权利要求1所述的适用于轻质催化剂的臭氧氧化反应装置，其特征在于，所述轻质催化剂的密度满足，所述轻质催化剂的粒径为1~10 mm，所述轻质催化剂的投加量为/>，其中/>为所述轻质催化剂的密度，/>为物料的液体密度，/>为所述壳体的直径，H为所述壳体的高度，/>和H的单位为m。
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