環狀多相流化床光催化反應器設計研究

摘 要：本文采用負載型TiO2/活性氧化鋁顆粒作為光催化劑，按照環狀光催化反應器的設計要點對反應器進行設計，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計。該設計從理論層面進行，對同類光催化反應器的設計具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：光催化反應器;光催化劑;循環流化床;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

光催化反應器是光催化技術實際應用的載體。根據反應器的外形，可將光催化反應器分為管式反應器、板式反應器、釜式反應器和環狀反應器等。環狀反應器以線狀紫外光源為中心，反應溶液在其周圍流過，可最大程度地接受到紫外光的照射，提高光能利用率。按照反應體系相態的不同，可將光催化反應器分為多相反應器、均相反應器和非均相反應器。多相反應器中的催化劑常被負載在顆粒狀載體表面，而均相反應器中催化劑常被固定在已搭建好的骨架上，非均相反應器中催化劑一般以微小粒子懸浮態存在于液相中，與液相完全混合。在多相反應器中，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的發生。

1 設計內容

本文所采用的環狀多相光催化反應器結構如圖1所示。中間放置紫外燈，包圍著紫外燈的為石英套管，反應時在套管內通冷卻水。反應器外圍的底部為反應區，光催化反應即在此進行，反應區中間設置金屬導流板。為了保證催化劑顆粒順利沉降，在反應區頂部設置沉降區。

環狀多相光催化反應器的設計主要包括以下三個內容：①反應器內紫外光輻射能的分布，這是光催化反應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鍵;③光催化反應中的光負荷值，即單位體積溶液受到紫外光的輻射面積，該參數值的提高能較為顯著地加快光催化反應的速率。

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所需的基本能量，最終確定光催化反應器反應區溶液厚度為5cm。

2.4 內循環流化床光催化反應器結構設計

以上通過對光催化反應器設計時關鍵參數的分析，分別確定了光催化反應器的反應區內徑[R1]=30mm，外徑[R2]=80mm，反應區高度h=320mm，循環流化速度u=0.25m/s，沉降區溶液上升流速[u0]=0.02m/s。在此基礎上進一步確定流化床光催化反應器其他部分的尺寸。

本文考慮在反應區設置金屬導流板，設計成內循環式流化床光催化反應器，這樣便能在不增加反應器高度的情況下大大增加反應液在反應器內的水力停留時間，以確保光催化反應效果。此外，金屬導流板的設置還能對透過反應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。

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

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

2.5 光催化反應器工藝條件的確定

在光催化反應器的設計過程中，除了對主要參數進行考慮外，還應重視反應器系統中一些其他的關鍵因素，以充分發揮光催化反應器的性能，獲得最佳的光催化反應效果。接下來將對這些關鍵因素進行逐一探討。

2.5.1 光源的選擇。在光催化反應系統中，光源是決定反應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電子-空穴對。對于TiO2來說，只有波長小于387nm的光子才能激發這種反應[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物，很難徹底將其降解為無機物質;而光催化作用可將有機物質徹底礦化[5]。因此，選擇365nm波長的光源能提高光催化反應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，從節約生產成本的角度出發，本文認為，在實際生產中紫外光源應采用主波長為365nm的中壓汞燈。

2.5.2 制造材料的選擇。對于光催化反應器而言，由于反應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器制造材料為石英玻璃，因其具有良好的透光性、熱穩定性和電絕緣性[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器核心部位的制造。由于光催化反應器的冷凝套管處于紫外燈與反應溶液之間，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 導流板的設置位置。前已述及，內循環流化床光催化反應器依靠在反應區設置導流板而將反應區分為升流區和降流區，使反應溶液在反應器內不斷往復循環，增加了反應溶液在反應器內的水力停留時間，提高了光催化反應的效率，保證了光催化反應器出水的穩定性。但由于導流板的設置改變了光催化反應器內流場的分布，因此合理設計導流板位置將能起到優化反應器流場分布、提高反應效率的作用。

在導流板的徑向位置設置方面，升流區與降流區的橫截面積為一個重要的設計參數。當該比值過大時，降流區底部回流面積較窄，此時過大的回流水速會造成升流區中部流速過大，密度嚴重小于升流區兩側，致使溶液在兩側出現大范圍的回流，從而減小反應器內循環流量，造成反應器循環不暢。該比值過小時，升流區面積過小，上升流速過大，一方面容易將催化劑帶出反應器，造成催化劑的流失;另一方面，過快的上升流速使溶液反應時間過短，也不利于光催化反應的順利進行。根據對循環流化床內流體的數值模擬與分析[7-10]，本文認為，可根據升流區與降流區橫截面積為1∶1來進行設計。與此同時，導流板和反應器底部之間的距離也能直接影響回流區的流場和流體阻力。適當的縮短導流板底部的長度可以減小反應器回流區的回流阻力，使流場分布更為均勻。但是，導流板底部過短時，會造成內循環不穩定，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渦流現象，不利于反應溶液的循環。

3 結論

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

參考文獻：

[1]劉長安，孫德智，趙海發，等.多相光催化反應器中紫外光輻射能分布的研究[J].環境科學學報，2004（1）：82-85.

[2]姚玉英.化工原理：上冊[M].天津：天津大學出版社，1999.

[3]Ray A K. Design， Modelling and Experimentation of a New Large-scale Photocatalytic Reactor for Water Treatment[J].Chemical Engineering Science，1999（15）：3113-3125.

[4]尤宏，陳其偉，劉婷，等.內循環流化床光催化反應器的數值模擬與結構優化[J].中國環境科學，2009（5）：481-485.

[5]武愛蓮，郭婷，孫彥平.光源對TiO2光催化性能的影響[J].太原理工大學學報，2003（3）：291-294.

[6]張峰，薛曉虎.環狀非均相光催化反應器設計要素及應用研究[J].山西化工，2010（1）：57-61.

[7]孫利娜，王曉靜.光催化反應器中管板的結構優化設計[J].化工機械，2007（5）：253-256.

[8]尤宏，陳其偉，劉婷，等.內循環流化床光催化反應器的數值模擬與結構優化[J].中國環境科學，2009（5）：481-485.

[9]劉鵬，鄭潔，周亞亞，等.新型管狀光催化反應器降解VOCs特性[J].環境工程學報，2018（7）：2010-2014.

[10]柔性纖維負載TiO2光催化反應器的設計[J].西安工程大學學報，2018（1）：56-59.