三相内循环流化床光催化反应器及其性能.pdf

第 24卷 第 6期 环 境 化 学 Vol. 24, No. 6 2005年 11月 ENV IRONMENTAL CHEM ISTRY November 2005 * 1* * 1 1 2 尤 宏 罗薇楠 姚 杰 蔡伟民 ( 1 哈尔滨工业 学市政环境工程学院, 哈尔滨, 150001; 2 上海交通 学环境科学与工程学院, 上海, 200240) 依据流态化原理, 设计出一种三相内循环流化床光催化反应器, 对反应器的水力特性做了推算, 确定了反应器的操作影响因素. 对罗丹明B 的降解实验结果显示出优越的性能, 依据催化剂投加量及初始 光强的不同, 反应半衰期在 4 105m in之间. 光催化, 三相流化床, 内循环. 光催化反应器设计不同于一般化学反应器的设计, 除了涉及质量传递与混合、反应物与催化剂的 接触、流动方式、反应动力学、催化剂的安装、温度控制等问题外, 还必须考虑光辐射这一重要因 素. 在光催化反应器中, 催化剂只有吸收适当的光子才能被激活而具有催化活性, 因此, 反应器的结 构必须能够提供尽可能多的激活光催化剂和足够的光辐射空间. 近年来出现的流化床光催化反应器\ [ 1- 3 \ ] 很好地解决了催化剂与反应液及光的有效接触问题, 且 适合于工业规模放 . 流化床反应器有利于光源的布置, 使内部辐射场分布均匀. 其中三相流化床是 一种新型的化工反应器, 这类反应器结构简单, 流体传质与混合性能好, 节省动力, 具有单位体积负 荷 , 抗冲击能力强, 运行成本低, 操作方便等特点. 本文基于三相流化床的原理, 建立了一种三相内循环流化床光催化反应器 ( three- phase internal - circu lating fluidized bed, TICFB), 使用负载型 T iO / SiO 光催化剂, 通过计算和实验确定了反应器 2 2 的操作条件, 探讨了各个操作因素如通气量、催化剂浓度等的影响, 以指导此类反应器的设计和应 用. 111 三相内循环流化床光催化反应器 反应器的整体结构为圆柱形, 在径向上分为三个层次: 中心部分为光源区, 采用低压汞灯作光源; 中间是气、固、液三相升流区, 也是光催化反应的主反应区; 外层是降流区; 反应器底部安装环状曝气 头, 产生气泡, 由于上浮气泡的作用, 在升流区和降流区之间产生密度差, 驱使流体夹带固体催化剂在 两区之间循环流动. 顶部放 段形成缓冲区, 使气、固、液分离, 处理后的上清液流出反应器. 反应器高 700 mm, 容积(升流区、降流区和回流区) 20 L, 其中有效反应区(升流区)体积 46 L. 12 催化剂的初始流化条件 ( 1) 最小流化速度 最小流化速度 um f用 Ergun方程来计算, 它是床层参数和最小流化孔隙率 em f的函数: l e3 u = 4286 ( 1- e ) - 4 m f ( 1) m f d m f 1+ 311 10 Ga 2 - 1 p l ( 1- em f ) gd3 ( - ) l p s l Ga =