光催化反应器的设计.docx

光催化反应器的设计摘要光化学反应过程由于具有选择性好且可在常温常压下进行等特点而在许多领域有着良好的应用前景。其中光催化技术作为一种真正环境友好的绿色技术，既可以在能源领域应用，将低密度的太阳能转化为可储存的高密度的洁净能源氢能；也可在环境领域应用，利用光能降解和矿化环境中的有机和无机污染物。光催化反应器作为光催化技术的核心设备，在光催化技术的应用中具有十分重要的地位。本文介绍了光催化反应的相关内容，并以FCC汽油光催化脱硫工艺为例，对实际情况作合理简化，建立了光催化反应器的数学模型。关键词：光催化、反应器、数学模型。1、前言1.1 光化学反应工程光化学反应是指在外界光源的照射下所发生的化学反应过程。[1] 光化学反应器作为光化学生产中的关键设备，其性能优劣对于光化学反应过程的应用有十分重要的作用。因此，从工程应用的角度出发，研究光化学反应器的特性、模拟、设计、放大等问题已引起重视，并逐渐发展成化学反应工程学的一个新的分支—光化学反应工程。与一般反应器相比，光化学反应器的设计与开发有很大的差异。光源的种类，光子的传播、吸收、发射及光化学反应器的几何形状，与光源间的相互位置等均会对光化学反应过程产生直接影响。[2]1.2光化学反应器类型 与普通的化学反应器一样，光化学反应器也可以按不同的方法分类。如按操作方式的不同可分为连续式和间歇式；按反应器内包括的流体的相数不同可分为均相和非均相；按反应器内流体流动状况可分为全混流、部分返混、活塞流等。然而，对于光化学反应器，除了操作方式、流动状况等会对其性能造成影响，更能反映光化学反应器特征并直接影响光化学反应器性能的则是光源种类、反应器几何形状及反应器与光源间的相互位置。[3]这些因素的不同组合就构成了不同类型的光化学反应器。光化学反应器可以有许多变化方式，大体可分为均相和非均相两大类。[4]光化学反应器的选型包括光源、透光材料、反应器几何形状的确定等几个方面。光化学反应过程一般均需要紫外或近紫外光，当反应需要紫外光时，只能选择石英为透光材料。如反应可在近紫外光照射下进行，则可选用硼硅玻璃。[5]1.3光催化反应器1.3.1 光催化反应器的研究现状最早出现的光催化反应器是为在实验室中进行研究而设计的，其结构简单，操作方便。反应器主体为一敞开的容器，并置于磁力搅拌机上，反应液在荧光或紫外灯的照射下反应 ，灯与液面的距离可调，现在仍有许多研究者用这种反应器来评价催化剂的活性或进行污染物降解规律的研究。[6]目前应用较为广泛的光催化反应器是一种间歇式分批反应器它的特点是采用纳米TiO2 粉体形成的悬浆体系。但悬浆体系最大的问题是TiO2 难以回收，要将催化剂粉末颗粒从流动相中分离出来，一般需经过滤、离心、混凝、絮凝等方法，因而反应器只能为间歇式分批反应器，即每处理一批就要进行一次分离，使处理过程过于复杂，还增加了经济成本。因此，将催化剂固定在载体上，制成负载型光催化反应器已成为主要的研究方向。将TiO2负载后可将其作为固定相，待处理废水或气体作为流动相，一般不存在后处理问题，可实现连续化处理，便于设计出各种实用化、商品化、工业化的光化学反应器。[7]1.3.2 光催化反应器的种类按照TiO2光催化剂的存在形式，可将反应器分为悬浆型和负载型两大类。负载型光催化反应器按其床层状态，又可分为固定床型和流化床型两种。 按光源的照射方式不同，光反应器也可以分为聚光式和非聚光式两类。聚光式反应器是将光源置于反应室中央，反应器为环状。这种光催化反应器多以人工光源作为光源，光效率也高，但照射面积不可能很大，反应器规模相应也不是很大。非聚光式反应器的光源可以是人工的也可以是天然的日光，光源以垂直反应面照射为主。从能源利用角度考虑，非聚光式反应器可以直接利用太阳能为光源，有利于降低处理成本。但由于太阳光中的紫外线只占总光源的3%左右，反应效率不高。如果对TiO2进行改性，使可利用的光谱范围扩大，就可以充分利用太阳光的能量，制成大规模、工业化的反应器。因此，在光催化反应器的选择中，应综合考虑催化剂的存在状态、反应器的几何形状及尺寸和光系统三方面的问题。[6]2、光催化反应器的设计2.1 课题背景汽油中含硫化合物的燃烧产物被认为是造成环境污染的主要原因之一。为了减少污染，世界各国制定了新的法规限制汽油中的硫含量。我国汽油生产总量中的流化床催化裂化（FCC）汽油占70%-80%，因此进行FCC汽油的脱硫研究对降低汽油含硫量具有重要的意义。相对传统的加氢脱硫工艺不能满足脱硫的需要，因此，探索新的脱硫途径成为必然。目前，由于光催化技术的不断发展，光催化脱硫法已在实验研究中取得突破进展，该工艺采用半导体光催化剂TiO2，利用间歇反应，能够明显改善脱硫效果，缩短反应时间。2.2可行性分析采用中间配有紫外灯和石英管的不锈钢