環(huán)狀多相流化床光催化反應(yīng)器設(shè)計研究

摘 要：本文采用負載型TiO2/活性氧化鋁顆粒作為光催化劑，按照環(huán)狀光催化反應(yīng)器的設(shè)計要點對反應(yīng)器進行設(shè)計，重點考慮輻射能的分布、催化劑顆粒的流化性和光負荷值，并對光源、制造材料和導流板位置進行選擇和設(shè)計。該設(shè)計從理論層面進行，對同類光催化反應(yīng)器的設(shè)計具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：光催化反應(yīng)器;光催化劑;循環(huán)流化床;光負荷值

中圖分類號：X703.3 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）25-0048-04

光催化反應(yīng)器是光催化技術(shù)實際應(yīng)用的載體。根據(jù)反應(yīng)器的外形，可將光催化反應(yīng)器分為管式反應(yīng)器、板式反應(yīng)器、釜式反應(yīng)器和環(huán)狀反應(yīng)器等。環(huán)狀反應(yīng)器以線狀紫外光源為中心，反應(yīng)溶液在其周圍流過，可最大程度地接受到紫外光的照射，提高光能利用率。按照反應(yīng)體系相態(tài)的不同，可將光催化反應(yīng)器分為多相反應(yīng)器、均相反應(yīng)器和非均相反應(yīng)器。多相反應(yīng)器中的催化劑常被負載在顆粒狀載體表面，而均相反應(yīng)器中催化劑常被固定在已搭建好的骨架上，非均相反應(yīng)器中催化劑一般以微小粒子懸浮態(tài)存在于液相中，與液相完全混合。在多相反應(yīng)器中，由于催化劑顆粒懸浮于液相中，因此不會影響紫外光的穿透深度，同時比均相反應(yīng)器中的催化劑具有更大的比表面積，因此更有利于光催化反應(yīng)的發(fā)生。

1 設(shè)計內(nèi)容

本文所采用的環(huán)狀多相光催化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。中間放置紫外燈，包圍著紫外燈的為石英套管，反應(yīng)時在套管內(nèi)通冷卻水。反應(yīng)器外圍的底部為反應(yīng)區(qū)，光催化反應(yīng)即在此進行，反應(yīng)區(qū)中間設(shè)置金屬導流板。為了保證催化劑顆粒順利沉降，在反應(yīng)區(qū)頂部設(shè)置沉降區(qū)。

環(huán)狀多相光催化反應(yīng)器的設(shè)計主要包括以下三個內(nèi)容：①反應(yīng)器內(nèi)紫外光輻射能的分布，這是光催化反應(yīng)得以順利進行的必要保證;②顆粒狀光催化劑的流化性能，這是保證光催化劑能得到光源充分照射的關(guān)鍵;③光催化反應(yīng)中的光負荷值，即單位體積溶液受到紫外光的輻射面積，該參數(shù)值的提高能較為顯著地加快光催化反應(yīng)的速率。

通過計算式（2）可得，當紫外光在自來水中的光程為1cm時，最外端接收到的能量為中心處的91.33%;當紫外光在自來水中的光程為5cm時，最外端接收到的能量為中心處的63.54%，其能量迅速遞減;而當紫外光在自來水中光程為10cm時，最外端接收到的能量僅為中心處的40.37%，已較難滿足光催化反應(yīng)所需要的能量。本文參照自來水中紫外光能量的消減進行光程的確定。此外，考慮到在紫外燈外還套有冷卻水套管，以及催化劑顆粒對紫外光的散射等作用，為保證最不利光程面所接收到的紫外光能量仍然能夠滿足光催化反應(yīng)所需的基本能量，最終確定光催化反應(yīng)器反應(yīng)區(qū)溶液厚度為5cm。

2.4 內(nèi)循環(huán)流化床光催化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計

以上通過對光催化反應(yīng)器設(shè)計時關(guān)鍵參數(shù)的分析，分別確定了光催化反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)內(nèi)徑[R1]=30mm，外徑[R2]=80mm，反應(yīng)區(qū)高度h=320mm，循環(huán)流化速度u=0.25m/s，沉降區(qū)溶液上升流速[u0]=0.02m/s。在此基礎(chǔ)上進一步確定流化床光催化反應(yīng)器其他部分的尺寸。

本文考慮在反應(yīng)區(qū)設(shè)置金屬導流板，設(shè)計成內(nèi)循環(huán)式流化床光催化反應(yīng)器，這樣便能在不增加反應(yīng)器高度的情況下大大增加反應(yīng)液在反應(yīng)器內(nèi)的水力停留時間，以確保光催化反應(yīng)效果。此外，金屬導流板的設(shè)置還能對透過反應(yīng)溶液的紫外光起到一定程度的反射作用，因此也可提高光能的利用率。

對于內(nèi)循環(huán)流化床光催化反應(yīng)器而言，反應(yīng)區(qū)內(nèi)升流區(qū)橫截面積（[A1]）與降流區(qū)橫截面積（[A2]）之比（[A1/A2]）同樣為設(shè)計中的重要參數(shù)，因為[A1/A2]的值決定了反應(yīng)器內(nèi)的流場分布、能量利用率和反應(yīng)效率。根據(jù)尤宏等[4]的研究可知，[A1/A2]最佳取值為1∶1。設(shè)光催化反應(yīng)器總半徑為[R3]，則按升流區(qū)橫截面積與降流區(qū)橫截面積相同的條件可求得[R3]=109mm。根據(jù)反應(yīng)區(qū)與沉降區(qū)流量相同可計算得到沉降區(qū)擴大部分的半徑[R0]=263mm。內(nèi)循環(huán)流化床光催化反應(yīng)器各區(qū)域半徑與液流流速見圖2。

該內(nèi)循環(huán)流化床光催化反應(yīng)器主要設(shè)計參數(shù)為：光程W=5cm，光負荷值A(chǔ)/V=0.109m-1，反應(yīng)區(qū)內(nèi)升流區(qū)橫截面積與降流區(qū)橫截面積之比[A1/A2]=1：1。其中反應(yīng)區(qū)循環(huán)流化速度u=0.25m/s，沉降區(qū)內(nèi)上升流速u0=0.02m/s。雖然本文所設(shè)計的光催化反應(yīng)器總體尺寸較小，只能達到中試規(guī)模，但在設(shè)計過程中對重要參數(shù)進行了逐一討論，得出了重要參數(shù)的確定方法，因此該設(shè)計方法可為其他光催化反應(yīng)器的設(shè)計提供參考。

2.5 光催化反應(yīng)器工藝條件的確定

在光催化反應(yīng)器的設(shè)計過程中，除了對主要參數(shù)進行考慮外，還應(yīng)重視反應(yīng)器系統(tǒng)中一些其他的關(guān)鍵因素，以充分發(fā)揮光催化反應(yīng)器的性能，獲得最佳的光催化反應(yīng)效果。接下來將對這些關(guān)鍵因素進行逐一探討。

2.5.1 光源的選擇。在光催化反應(yīng)系統(tǒng)中，光源是決定反應(yīng)效率最重要的影響因素。光源光子的能量必須大于半導體的禁帶寬度才能激發(fā)電子-空穴對。對于TiO2來說，只有波長小于387nm的光子才能激發(fā)這種反應(yīng)[5]。在光源方面，目前采用最多的為254nm和365nm兩種波長的紫外光。有研究表明[5]，光催化降解有機物時，在波長為254nm的光源條件下以光氧化作用為主，而在波長為365nm的光源條件下以光催化作用為主。光氧化作用一般僅能將難降解的有機物分解形成大量中間產(chǎn)物，很難徹底將其降解為無機物質(zhì);而光催化作用可將有機物質(zhì)徹底礦化[5]。因此，選擇365nm波長的光源能提高光催化反應(yīng)徹底去除有機污染物的效率。主波長為365nm的紫外燈主要有高壓汞燈和中壓汞燈，高壓汞燈雖然功率大，輻射功能強，但本課題的試驗研究表明，高壓汞燈的有效輸出功率和能源利用率不如中壓汞燈。因此，從節(jié)約生產(chǎn)成本的角度出發(fā)，本文認為，在實際生產(chǎn)中紫外光源應(yīng)采用主波長為365nm的中壓汞燈。

2.5.2 制造材料的選擇。對于光催化反應(yīng)器而言，由于反應(yīng)動力主要來自紫外光的照射，因此，要求其制造材料具有良好的透光性，尤其是具有良好的紫外光透過性能。最理想的光催化反應(yīng)器制造材料為石英玻璃，因其具有良好的透光性、熱穩(wěn)定性和電絕緣性[6]。但由于石英玻璃價格較高，因此一般僅將其用于光催化反應(yīng)器核心部位的制造。由于光催化反應(yīng)器的冷凝套管處于紫外燈與反應(yīng)溶液之間，要求其具有良好的紫外光透過性，因此，本文認為，光催化反應(yīng)器的冷凝套管部分可采用石英玻璃制造，而其他部分則只需采用普通玻璃進行制造。

2.5.3 導流板的設(shè)置位置。前已述及，內(nèi)循環(huán)流化床光催化反應(yīng)器依靠在反應(yīng)區(qū)設(shè)置導流板而將反應(yīng)區(qū)分為升流區(qū)和降流區(qū)，使反應(yīng)溶液在反應(yīng)器內(nèi)不斷往復(fù)循環(huán)，增加了反應(yīng)溶液在反應(yīng)器內(nèi)的水力停留時間，提高了光催化反應(yīng)的效率，保證了光催化反應(yīng)器出水的穩(wěn)定性。但由于導流板的設(shè)置改變了光催化反應(yīng)器內(nèi)流場的分布，因此合理設(shè)計導流板位置將能起到優(yōu)化反應(yīng)器流場分布、提高反應(yīng)效率的作用。

在導流板的徑向位置設(shè)置方面，升流區(qū)與降流區(qū)的橫截面積為一個重要的設(shè)計參數(shù)。當該比值過大時，降流區(qū)底部回流面積較窄，此時過大的回流水速會造成升流區(qū)中部流速過大，密度嚴重小于升流區(qū)兩側(cè)，致使溶液在兩側(cè)出現(xiàn)大范圍的回流，從而減小反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)流量，造成反應(yīng)器循環(huán)不暢。該比值過小時，升流區(qū)面積過小，上升流速過大，一方面容易將催化劑帶出反應(yīng)器，造成催化劑的流失;另一方面，過快的上升流速使溶液反應(yīng)時間過短，也不利于光催化反應(yīng)的順利進行。根據(jù)對循環(huán)流化床內(nèi)流體的數(shù)值模擬與分析[7-10]，本文認為，可根據(jù)升流區(qū)與降流區(qū)橫截面積為1∶1來進行設(shè)計。與此同時，導流板和反應(yīng)器底部之間的距離也能直接影響回流區(qū)的流場和流體阻力。適當?shù)目s短導流板底部的長度可以減小反應(yīng)器回流區(qū)的回流阻力，使流場分布更為均勻。但是，導流板底部過短時，會造成內(nèi)循環(huán)不穩(wěn)定，形成水力死角。導流板頂部長度直接影響上升流的速度和流場，縮短導流板頂部長度時會導致頂部出現(xiàn)渦流現(xiàn)象，不利于反應(yīng)溶液的循環(huán)。

3 結(jié)論

本文根據(jù)光催化反應(yīng)器的設(shè)計要素設(shè)計了1套環(huán)狀多相流化床光催化反應(yīng)器，從節(jié)約能源、提高材料透光性與光利用率及優(yōu)化流場等角度考慮，建議選取中壓汞燈作為紫外光源，選用石英玻璃作為內(nèi)壁材料、普通玻璃作為外壁材料，導流板應(yīng)安裝于反應(yīng)器的中間部位。雖然該反應(yīng)器尺寸較小，僅能達到中試的規(guī)模，但在實際工程中可考慮將多個反應(yīng)器并聯(lián)使用，這也是今后光催化反應(yīng)器研究的重要方向。

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