ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКИЙ РЕАКТОР
PHOTOCATALYTIC REACTOR

Изобретение относится к области фотокатализа, основанного на способности катализаторов активироваться под действием света или ультрафиолетового излучения и ускорять различные реакции, в частности окисление органических веществ кислородом до воды и углекислого газа. Фотокаталитические реакторы могут использоваться для очищения различных сред, в частности воды, от вредных примесей, которыми часто являются органические вещества, от вредоносных микроорганизмов, для удаления нежелательных запахов и т.п.
Для очистки воды от органических загрязнений, давно и успешно в реакторах используются лампы с ультрафиолетовым излучением. Примером такого типа реактора является устройство для дезинфекции воды по патенту RU 2521055. Оно содержит корпус в виде стакана с входным и выходным па-трубками, внутри которого расположена камера обеззараживания с заключенной в закрытый кварцевый кожух ультрафиолетовой лампой. Вода, обтекающая кварцевый кожух, подвергается воздействию ультрафиолетового излучения и обеззараживается от вирусов, бактерий, плесени и аллергенов. Недостатком такого устройства является малая производительность очистки воды, обусловленная тем, что для обеспечения времени, достаточного для гарантированного завершения процесса очистки, скорость протекания воды мимо лампы должна быть низкой.
Серийно выпускаемые профессиональные установка УФ-обработки воды типа ЛИТ Master DUV-5A500-N MST, и подобные, содержат длинные лампы цилиндрической формы, размещаемые в кварцевых трубках в прямо-точном корпусе. Это удлиняет время воздействия на очищаемую воду ультрафиолетовых излучений, но, тем не менее, высокая производительность очистки возможна только при большом количестве параллельно включенных ламп и общем живом сечении потока воды, т.е. больших габаритах реактора.
2
Для увеличения скорости протекания процессов очистки воды и расширения номенклатуры удаляемых загрязнений применяют катализаторы. Наиболее часто в качестве катализатора используют диоксид титана TiO в суспендированном состоянии, или закрепленном на инертном носителе. В первом случае обеспечивается большая площадь освещаемой поверхности катализатора, но требуется дополнительная стадия отделения катализатора на мембранных фильтрационных установках для возвращения частиц катализатора в процесс.
2
При оптической накачке зерен фотокатализатора происходит генерация в объеме полупроводника, которым является TiO, электрон-дырочных пар, с последующей диффузией этих химически активных частиц на поверхность зерен, контактирующих с водой или воздухом. При выходе на поверхность электрон-дырочные пары взаимодействуют с молекулами кислорода и воды, рождая последовательность реакций окисления, что обеспечивает интенсивный процесс очистки воды или воздуха.
Известен фотокаталитический реактор [Бюллетень ЕАПО (21)200900592, авторы Фостер Нейл Роберт (GB), Бассити Курош (FR), Дементьев В.Н. (RU)]. Реактор выполнен в виде вертикально расположенной трубы с патрубками для подвода и отвода очищаемой жидкости и соосно расположенной лампой, к стенкам которой примыкают расположенные в разных ярусах перфорированные элементы. В перфорированных элементах поднимающимся потоком пузырьков воздуха поддерживаются во взвешенном состоянии множество подвижных частиц фотокатализатора, размер и плотность которых таковы, что при работе реактора они остаются на перфорированном элементе. В верхней части реактора скапливается воздух аэрации и газовая фракция продуктов реакции. Для выпуска газов из реактора предусмотрен специальный клапан. Фотокаталитический реактор может быть использован для очистки сточных вод с использованием диоксида титана.
Недостатком данного реактора является то, что при его использовании необходимо поддерживать точный баланс активности потока подаваемой для очистки воды в реактор и потока воздуха, подаваемого для барбатажа воды и удержания частиц во взвешенном состоянии в перфарированных элементах. При невыполнении этого условия частицы или будут придавливаться к сетке (мембране), плохо освещаться и минимально участвовать в фотокаталитических реакциях, или выбрасываться за пределы перфарированных элементов, что приводит к выбыванию частиц катализатора из процесса.
Некоторые принципы действия рассматриваемого реактора использованы в предлагаемой конструкции фотокаталитического реактора, дополненного конструктивными элементами, обеспечивающими активацию протекающих процессов за счет эффекта кавитации в потоке очищаемой жидкости.
Известен гидродинамический кавитационный реактор по патенту RU 2091157, содержащий проточную камеру с конфузором и расширяющимися ступенчато участками, в которых расположены кавитаторы в виде конусов с направлением вершины в сторону набегающего потока жидкости. За счет разряжения, образующегося за конусом, в жидкости образуются кавитационные каверны, при захлопывании которых возникают пульсации давлений в жидкости, что приводит к деструкции загрязнений, находящихся в жидкости. Обеспечение этого процесса в фотокаталитическом реакторе будет способствовать более глубокой и быстрой очистке жидкости.
Задачей изобретения является создание простой и технологичной в изготовлении конструкции фотокаталитического реактора, обеспечивающего производительную и качественную очистку воды с бактерицидными и углеводородными загрязнениями.
Предлагаемый фотокаталитический реактор показан на фиг. 1.
Реактор состоит из нижней части корпуса 1 с патрубком 2 подачи очищаемой воды и патрубком 3 подачи через регулируемый жиклер воздуха, необходимого для осуществления окислительных процессов, и верхней части корпуса 4 с патрубком 5 вывода очищенной воды и патрубком 6 вывода газов. Патрубок подачи воды подсоединен к корпусу по типу гидроциклона по касательной к его внутренней цилиндрической поверхности с примыкающей к ней конической поверхностью. Диаметр цилиндрической поверхности примерно в 5 раз больше диаметра подающего патрубка, сечение профиля которого в зоне примыкания к корпусу по высоте и ширине соответствует примерно 3:1. По высоте патрубок расположен в непосредственной близости к нижней плоскости цилиндрической поверхности корпуса. Патрубок подачи воздуха, также как и патрубок подачи воды, подсоединен к корпусу по типу гидроциклона по касательной к его внутренней цилиндрической поверхности по направлению циркуляции воды в корпусе. По высоте патрубок расположен в непосредственной близости к верхней плоскости цилиндрической поверхности и примыкания к ней конической поверхности корпуса.
Коническая поверхность нижней части корпуса направлена вверх, а по центру нижней крышки 7, закрывающей цилиндрическую часть корпуса, установлена кварцевая трубка 8 с размещенной в ней ультрафиолетовой лампой. Длина трубки обеспечивает площадь прохода жидкости между ней и стенками конической поверхности корпуса не менее площади сечения подающего патрубка.
На конической части корпуса расположены каскады диспергаторов 9, представляющих собой два ряда насверленных по периметрам двух уровней конуса отверстий 10 диаметром примерно 0,2 диаметра подающего патрубка и расстоянием между осями отверстий по периметру конуса примерно равным 2-ум диаметрам отверстия, а расстояние по высоте между уровнями рядов отверстий примерно равно 7-ми диаметрам отверстий. В диспергаторе с наружной стороны конуса имеется пространство 11 для перетекания жидкости между рядами отверстий, ограниченное кожухом, герметично соединенным с поверхностью конуса, а нижняя кромка кожуха находится на уровне нижних кромок отверстий нижнего ряда и поверхность кожуха выполнена в виде фаски под углом 45° к поверхности конуса.
Высота конической части корпуса назначается из условия обеспечения выходного диаметра отверстия конуса равного 1,0- 1,5 диаметра подводящего патрубка. Торец конуса совпадет с плоскостью соединенного с ним фланца 12, к которому соосно с выходным отверстием конуса прикреплен диспергатор загрязнений воды в виде цилиндрического колпачка 13, донце которого выполнено из пластины, а соединяемые с фланцем стенки колпачка - из свернутой в трубку сетки.
Фланец используется также для крепления к нему верхней части корпуса реактора в форме цилиндрической трубы с зеркальной внутренней поверхностью, в центре которой расположена закрепленная на крышке 14 через вставку-удлинитель 15 кварцевая трубка с лампой. При этом патрубок для отвода воды размещен на стенке трубы выше кварцевой трубки, а патрубок для отвода газов размещен на верхней крышке трубы. В нижней части трубы установлен экран 16 в форме опрокинутого усеченного конуса с диаметром основания конуса равным диаметру трубы, а отверстие вершины усеченного конуса обеспечивает свободное надевание экрана на колпачок и прилегание экрана к фланцу 12.
Снизу и соосно с патрубком отвода газа, накапливающимся в реакторе, имеется клапан 17, связанный с поплавком 18, подвижно установленным в корпусе клапана 19, ограничивающем перемещение клапана по вертикали из положения «закрыт» в положение «открыт» и смещение оси клапана от оси патрубка. В корпусе клапана имеются отверстия 20, обеспечивающие втекание и вытекание воды, воздействующей на поплавок.
Функционирование фотокаталитического реактора осуществляется следующим образом. При включенных лампах в кварцевых трубках 8, насосом (на фиг. 1 не показано) по патрубку 2 очищаемая вода, суспендированная мелкодисперсным порошком катализатора, подается в нижнюю часть корпуса по касательной к внутренней цилиндрической поверхности корпуса. После этого через патрубок 3 с регулируемым жиклером подается в реактор воздух от компрессора (на фиг. 1 не показано), в количестве, достаточном для осуществления окислительных реакций в процессе очистки воды от имеющегося там вида загрязнения. Если для процесса очистки достаточно воздуха, растворенного в воде в естественных условиях при атмосферном давлении, то подачу воздуха не производят.
Поток воды, вращаясь вокруг кварцевой трубки 8 с ультрафиолетовой лампой, переходит на коническую поверхность и увеличивает скорость своего вращения по мере продвижения в сторону вершины конуса. Находясь в зоне диспергатора, часть потока воды начинает циркулировать через отверстия верхнего и нижнего яруса.
1
2
1
Работа диспергатора в виде двух рядов отстоящих друг от друга по высоте конуса отверстий может быть пояснена следующими расчетами. Если принять радиус нижнего сечения конуса R, а радиус выше расположенного сечения R и радиус кварцевой трубки, проходящей соосно с осью конуса, r, то при спиральном движении потока жидкости по внутренней поверхности конуса возникает давление центробежных сил, выражаемое формулой:  где ρ - плотность жидкости, ω - угловая скорость вращения потока жидкости. За один полный оборот (угол ϕ=2π) жидкости в зоне отверстий диметром d нижнего сечения конуса проходит объем жидкости  Из условия неразрывности потока тот же объем жидкости за тот же промежуток времени в зоне насверленных отверстий верхнего яруса будет совершать вращение и проходить угол  Угловые скорости вращения потока в сечениях за единицу времени t составят:
Зная скорости вращения можно рассчитать центробежное давление потока жидкости на стенки конуса. Следует учесть, что проходящий над отверстиями поток жидкости имеет динамическое давление, которое по принципу пульверизатора пытается «отсосать» жидкость из отверстия. Величина динамического давления выражается формулой  где V=ωR - это линейная скорость.
01
02
02
01
Используя эти выражения можно найти общее давление жидкости P в зоне нижнего яруса отверстий, а также в зоне верхнего яруса - Р и составить их отношение, откуда следует:  то есть Р>Р.
Поскольку отверстия верхнего яруса через полость диспергатора соединяются с отверстиями нижнего яруса, вода будет вытекать через отверстия верхнего яруса и втекать в отверстия нижнего яруса. Это движение направлено поперек потока воды, вращающегося внутри конуса, и будет «кувыркать» его, что способствует активации диспергирования проходящих через реактор загрязнений воды и ускорению фотокаталитического процесса. Очевидно, что общий путь вращающейся в конусе воды и время облучения воды ультрафиолетовыми излучениями увеличиваются. Частицы катализатора, участвуя во вращательном движении, освещаются со всех сторон, и за счет кинетической энергии движения с большой скоростью при разной плотности частиц и углеводородных загрязнений, частицы сталкиваются с молекулами загрязнений и активно разрушают их. Поскольку в воде присутствует в нужном количестве подаваемый через регулируемый жиклер воздух, активированные ультрафиолетовым излучением частицы катализатора окисляют загрязнения, переводя их в газ.
При перетекании очищаемой воды из нижней части корпуса реактора в верхнюю часть, струя воды проходит диспергатор загрязнений в виде цилиндрического колпачка 13, донце которого выполнено из пластины, а соединяемые с фланцем стенки колпачка - из свернутой в трубку сетки. При большой скорости протекании воды через сетку в затеняемых ее элементами участках потока в жидкости образуются кавитационные каверны, при захлопывании которых возникают пульсации давлений в жидкости. Это также приводит к деструкции находящихся в жидкости загрязнений. Обеспечение такого процесса в фотокаталитическом реакторе способствует более глубокой и быстрой очистке жидкости.
Перетекая в верхнюю часть корпуса, представляющую собой трубу, диаметр которой, например, в 10 раз больше диаметра патрубка подачи воды, скорость движения воды в трубе при равных расходах по объему уменьшается в 100 раз, соответственно увеличивается время для осуществления фотокаталитического процесса. Это способствует также более глубокой и качественной очистке от загрязнений воды, которая через патрубок 5 отводится в мембранный фильтр (на фиг. 1 не показано), отделяющий частицы катализатора с последующим их направлением к насосу, закачивающему очищаемую воду и подающему ее в реактор. Для лучшего использования излучений лампы внутренняя поверхность трубы верхней части корпуса отшлифована до зеркального состояния.
Установленный в нижней части трубы экран 16 в форме опрокинутого усеченного конуса, прилегающего к стенке трубы и фланцу 12, исключает выпадение под действием гравитации частиц катализатора в осадок в застойных зонах объема верхней части корпуса реактора.
Скапливающийся в верхней части корпуса газ как продукт окисления загрязнений очищаемой воды и излишки воздуха, подаваемого через патрубок с регулируемым жиклером, выпускается через патрубок 6. Это происходит в том случае, когда занимаемый газом объем снизит уровень воды в трубе верхней части реактора и поплавок 18 под собственным весом опустится вниз до упора в донную часть корпуса 19. При этом связанный с поплавком клапан 17 откроет выход газа из реактора в патрубок 6. По мере выхода газа и освобождения пространства верхней части реакторы уровень воды будет повышаться, что приведет к всплыванию поплавка 18 и закрытию клапана 17. Таким образом, выпуск газа будет происходить периодически по мере его образования в фотокаталитическом процессе и накопления в верхней части корпуса.
Открытие клапана возможно при нарушении граничного условия баланса силы тяжести поплавка в сборе с клапаном, направленной вниз, и силы давления газа, прижимающей закрытый клапан вверх к седлу клапана, выполненного по диаметру проходного сечения патрубка 6.
Преимуществом предлагаемого фотокаталитического реактора является возможность качественной очистки воды от органических и бактерицидных загрязнений с высокой скоростью осуществления непрерывного процесса за счет его активации путем особой организации потоков перекачиваемой через реактор воды и диспергирования находящихся в ней загрязнений.
Фотокаталитический реактор имеет простую и технологичную для изготовления конструкцию.