新颖填充床光催化反应器的辐射能分布模拟
环状多相流化床光催化反应器设计研究
环状多相流化床光催化反应器设计研究作者：潘迪来源：《河南科技》2018年第25期摘要：本文采用负载型TiO2/活性氧化铝颗粒作为光催化剂，按照环状光催化反应器的设计要点对反应器进行设计，重点考虑辐射能的分布、催化剂颗粒的流化性和光负荷值，并对光源、制造材料和导流板位置进行选择和设计。
该设计从理论层面进行，对同类光催化反应器的设计具有一定的借鉴意义。
关键词：光催化反应器;光催化剂;循环流化床;光负荷值中图分类号：X703.3 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）25-0048-04光催化反应器是光催化技术实际应用的载体。
根据反应器的外形，可将光催化反应器分为管式反应器、板式反应器、釜式反应器和环状反应器等。
环状反应器以线状紫外光源为中心，反应溶液在其周围流过，可最大程度地接受到紫外光的照射，提高光能利用率。
按照反应体系相态的不同，可将光催化反应器分为多相反应器、均相反应器和非均相反应器。
多相反应器中的催化剂常被负载在颗粒状载体表面，而均相反应器中催化剂常被固定在已搭建好的骨架上，非均相反应器中催化剂一般以微小粒子悬浮态存在于液相中，与液相完全混合。
在多相反应器中，由于催化剂颗粒悬浮于液相中，因此不会影响紫外光的穿透深度，同时比均相反应器中的催化剂具有更大的比表面积，因此更有利于光催化反应的发生。
1 设计内容本文所采用的环状多相光催化反应器结构如图1所示。
中间放置紫外灯，包围着紫外灯的为石英套管，反应时在套管内通冷却水。
反应器外围的底部为反应区，光催化反应即在此进行，反应区中间设置金属导流板。
为了保证催化剂颗粒顺利沉降，在反应区顶部设置沉降区。
环状多相光催化反应器的设计主要包括以下三个内容：①反应器内紫外光辐射能的分布，这是光催化反应得以顺利进行的必要保证;②颗粒状光催化剂的流化性能，这是保证光催化剂能得到光源充分照射的关键;③光催化反应中的光负荷值，即单位体积溶液受到紫外光的辐射面积，该参数值的提高能较为显著地加快光催化反應的速率。
光催化反应器举例简介
光催化反应器举例简介反应器设计结业论文天津大学化工学院09化工一班王一斌3009207018随着现代工农业的发展，产生了大量污染物并随之释放到环境中去，其中存在大量有毒有害物质，严重影响了人类的正常生活与生产。
多年来，研究人员采用了包括生物处理，化学处理，热处理，催化氧化，相转移和光解等方法应用于废水处理中。
但目前这些方法，都存在着局限，而且处理费用太高。
而光催化作为一种新型的污染处理技术自上个世纪70 年代出现以来，以其能完全降解环境中的污染物，加上费用相对较少，日益受到研究人员的重视。
在光化学处理有机废水的催化剂中，二氧化钛由于其化学性质稳定、难溶、无毒、成本低、催化效率高等优点被广泛运用。
同时，光催化反应器作为反应的主体设备，其决定了催化剂活性的发挥和对光的利用等问题，而这两个因素直接决定了光催化反应的效率。
一个成功的反应器必然体现了催化剂活性和光源利用的最优化组合。
所以，光化学反应器的研制和开发作为光催化处理废水工艺中的重中之重，已成为研究的热点之一，本文对该方面研究给予了举例简介。
关键词：二氧化钛( TiO) 光催化反应器废水处理2一，光催化反应机理当能量大于催化剂（TiO 2等金属氧化物）禁带宽度的光照射半导体时，光激发电子跃迁到导带，形成导带电子（矿），同时在价带留下空穴（矿）。
由于半导体能带的不连续性，电子和空穴的寿命较长，它们能够在电场作用下或通过扩散的方式运动，与吸附在半导体催化剂粒子表面上的物质发生氧化还原反应，或者被表面晶格缺陷俘获。
空穴和电子在催化剂粒子内部或表面也可能直接复合。
空穴能够同吸附在催化剂粒子表面的OH 或H 2O 发生作用生成HO·。
HO·是一种活性很高的粒子，能够无选择地氧化多种有机物并使之矿化，通常认为是光催化反应体系中主要的氧化剂。
光生电子也能够与O 2发生作用生成HO 2·和O 2-·等活性氧类，这些活性氧自由基也能参与氧化还原反应。
曝气网联结的新型多层结构太阳光光催化反应器
将预处理过的玻璃弹簧载体【 ” 在分散好 的固含 量为 １ ２ ％Ｐ ５的 悬 浮 液 中浸 涂 ， 干 后 于 １ ０ 滤 ０ ℃下 烘
浅槽上方安 置人工 电光源（ 紫外灯 ） 。 多层 浅槽 型光催化反 应器 由筛网状 曝气网连接 ， 形成沿 筛网而下的水帘 ． 借助水 帘在 筛网上的湍流 ，
强 化 水 帘 与 空 气 中氧 气 的传 质 交 换 ， 到 无 动 力 曝 气 达 效 果 时 ， 浅槽 中交 错 地 安 置 了一 些挡 板 ， 增 加 同 在
制 成 Ｔ Ｏ 玻璃 珠 负 载 型光 催 化 剂 作 为 对 照 样 。 一 ｉ２ 在 定浓 度 的亚 甲基 蓝 溶 液 中 加 入 Ｐ ５ 末 ， 拌 或 通 人 ２粉 搅 空气 使 Ｐ ５保 持 悬 浮状 态 ， 得 固 含量 为 １ 的 Ｐ ５ ２ 制 ％ ２ 亚 甲基 蓝 悬 浮 液 。 ２３ 实 验 装 置 ． 漫槽 型太 阳光 催 化 降解 装置 如 图 １ ２ 示 。 个 ，
Ｓ ａ ｇ ａ Ｅ ｖｒｎ ｎａ Ｓ ｉｎ ｅ ｈ ｎｈ ｉ ｎ ｉ ｍｅ ｔｌ ｃｅｃ ｓ ｏ ２０ 年 ０２ 第２卷 １ 第２ 期
曝气网联结的新型多层结构太阳光光催化反应器
Ａ ｏ ｅ Ｍｕｔ — ｙ ｒＳ ｒｃｕｅ Ｓ ｌ ｈ ｔｃ ｔｌ ｉ Ｒ ａ ｔｒＣ ｎ ｅ ｔｄ Ｎ ｖ ｌ ｌ— ａ ｅ ｔ ｔｒ ｏａ Ｐ ｏｏ ａａｙ ｃ ｅ ｃｏ ｏ ｎ ｃｅ ｉｌ ｕ ｒ ｔ
光催化反应器数学模型研究刍议
光催化反应器数学模型研究刍议作者：王超来源：《中国新技术新产品》2009年第03期摘要：本文围绕光催化反应器数学建模三个关键因素：辐射能传递模型、反应动力学模型、传质问题展开讨论，并通过对建模理论及特点的分析，阐述了其存在的问题和未来的研究重点。
关键词：光催化反应器；数学模型；反应动力学；传质抑制光催化反应器数学模型研究，是基于辐射能传递、反应动力学和传质三大方程的建立。
建模过程需考虑反应器的操作模式、反应动力学、传质过程、催化剂的负载、热力学、流型等因素外，还在于建立辐射能衡算式。
现因多相光催化体系的复杂性，目前缺乏有效指导多相反应器设计、优化与工业化放大的数学模型，使光催化氧化技术规模化应用进展较为缓慢。
本文结合近年来光催化反应器数学建模研究现状，围绕辐射能传递模型、反应动力学模型及传质问题展开论述。
1 辐射能传递模型对均相体系，描述辐射能传递现象已有较成熟理论，结合适当的光源模型即可建立描述反应器内辐射能分布的模型。
Cassano等曾对均相光催化反应器的模拟和设计进行了一系列研究。
他们依靠动力学和物理学规律，提出了一组光催化反应器的设计方程，较为成功地应用于液相光催化卤化物反应器开发。
这是迄今为止有关光催化反应器设计最系统的研究报道。
对多相体系，近年来提出了双通量、分布函数、唯象、流化床等模型。
由于气泡、催化剂颗粒等的存在使辐射能传递过程更为复杂，不仅要考虑光源模型，更重要的要考虑多相的存在对辐射能传递的影响。
1.1 双通量模型：该模型是Akehata等针对气-液体系提出的。
对气泡均匀分布的气-液体系，假设进入反应器的是平行光束。
对于单一气泡而言，光线照射在气泡上有部分会反射回来，其余部分经折射后进入气泡内部，在气泡内可能会发生一定的光吸收，剩余部分经反射、折射再离开气泡。
陈国钧等采用等当量的概念，将有机污染物对光的吸收作用归化到等作用催化剂量Wca上，同时考虑透过光催化剂颗粒的光子总数，解决了在液-固相混浆光催化体系里引入双通量模型中参数确定的问题。
模拟太阳辐照下光催化反应的研究
模拟太阳辐照下光催化反应的研究随着环境污染的日益严重，人们对于清洁能源和环境保护的需求也越来越强烈。
在此种形势下，太阳能作为一种清洁、可再生的能源受到了越来越多的关注。
但是，太阳能的利用还存在一些问题，如夜间无法使用、太阳能的转化效率低等。
因此，人们对太阳能的利用方式进行了进一步的探索和研究，其中包括光催化反应的研究。
光催化反应是一种利用太阳能转化化学能的方法。
通过将光能转化为化学能，可以实现对不可降解污染物的分解。
然而，太阳光的辐照强度在不同地区、不同季节、不同天气条件下都存在较大的差异，因此有必要对模拟太阳辐照下的光催化反应进行研究。
光催化反应的研究需要考虑多种因素，如催化剂的种类、光源的强度和波长、反应时间等。
对于模拟太阳辐照下的光催化反应，需要考虑太阳辐照强度的变化和太阳光谱的变化。
由于太阳光中不同波长的光具有不同的能量，因此需要使用宽光谱光源来模拟太阳辐照下的光照条件。
在实验条件下，可以通过控制光源强度和反应时间等因素来模拟太阳辐照下的光照条件。
同时，还需要选择合适的催化剂进行反应研究。
催化剂是光催化反应中至关重要的因素，它可以提高反应速率和反应效果。
目前常用的催化剂包括二氧化钛、氧化锌、氧化铟等。
为了研究模拟太阳辐照下的光催化反应，可以使用反应器来进行实验。
反应器一般由光源、反应体系、催化剂等组成。
在反应器中，可以通过控制光源产生的光照强度和波长，加入催化剂和废水等反应物，进行模拟太阳辐照下的光催化反应研究。
同时，还需要对反应体系的温度、压力等因素进行控制，以保证实验结果的可靠性。
光催化反应的研究在环境治理、能源转化等领域具有广阔的应用前景。
通过模拟太阳辐照下的光照条件，可以研究光催化反应在实际环境下的应用效果，为实现清洁能源和环境保护提供一种全新的解决方案。
电助光催化氧化反应器的类型和设计要点
电助光催化氧化反应器的类型和设计要点电助光催化氧化反应器（Electro-PhotocatalyticOxidationReactor，EPOR）是一种利用电化学效应和光催化效应两大方面的能量转换机制，将具有挥发性有机物（VOCs）转化为无害物质的技术。
它具有高效、无污染，耐受负荷能力强的特点，可在绿色环保的背景下有效地处理VOCs污染。
由于EPOR具有诸多优点，它已经广泛应用于化学工业、能源发电厂、汽车排放治理中，用于有效处理VOCs污染。
电助光催化氧化反应器通常可以分为三种类型：空气催化反应器、固定床催化反应器和流动床催化反应器。
空气催化反应器是一种简单的催化反应装置，其结构简单，操作简便，主要用于轻质VOCs的处理和恒温恒流的流量控制，其优点是能够快速转化VOCs，出口浓度也有非常高的效率。
但是，它在处理重质VOCs时，不能显示出较好的性能。
固定床催化反应器使用固定床来作为催化剂容器，其反应管道可以分为反应管和催化剂管，流量可以通过控制气体流动速度来控制，可以有效地处理VOCs。
它的优点是可以有效清除重质VOCs，并且具有更高的处理效率，可以将VOCs的出口浓度降低到很低的水平。
流动床催化反应器与固定床催化反应器类似，但它的主要优点是可以更好的处理复杂的VOCs污染源，它具有高比特率，可以控制入口流量以实现最佳处理效果。
除了类型不同外，电助光催化氧化反应器的设计要点还包括选择合适的催化剂、反应温度和温度调节、反应器内流流形和添加助剂等。
首先，选择合适的催化剂是实现高效氧化反应的重要因素。
一般用于EPOR的催化剂都是金属离子的纳米级晶体，它们不仅具有良好的光催化活性，而且可以有效地改变反应速率，从而提高VOCs的转化效率。
其次，反应器的操作温度也会影响到EPOR的效率。
一般而言，效率随着温度的升高而提高，高温可以缩短反应时间，从而提高效率。
但是，反应器的操作温度应该控制在合理范围，过高的温度反而会降低催化剂的活性，从而降低VOCs的转化率。
微填充床反应器结构
微填充床反应器结构微填充床反应器结构是一种常见的化工反应器结构，具有较高的传质效果和反应效果，被广泛应用于化工工艺中。
本文将围绕微填充床反应器结构展开详细的阐述，包括其结构特点、优势应用以及改进方向等方面，希望能够为读者提供全面的了解和参考。
首先，微填充床反应器结构是一种利用填料将反应器内部表面积增大，提高传质效果的反应器结构。
其主要特点是在反应器内部填充大量的填料，形成丰富的表面积，增加反应物与催化剂之间的接触机会，从而提高反应效果。
微填充床反应器结构通常由反应器壳体、填料层和底部分流器构成。
填料层可以选择不同形状和材料的填料，根据反应物的特性和反应的需求进行选择。
微填充床反应器结构具有多种优势和应用。
首先，由于填料层的存在，微填充床反应器结构具有较大的内部表面积，可以提高反应物与催化剂之间的接触效果，加快反应速率。
同时，填料层还可以提供支撑和保护作用，防止反应物的堆积和堵塞，延长反应器的使用寿命。
此外，微填充床反应器结构还具有流体分布均匀、压降小、传质效果好等优点。
微填充床反应器结构在化工工艺中有着广泛的应用。
例如，在催化反应中，微填充床反应器结构能够提供较大的催化剂活性表面积，增加反应物与催化剂之间的接触机会，从而提高催化效果。
在气体吸附和分离中，微填充床反应器结构可以提供较大的吸附表面积，增加气体分子与填料之间的接触面积，提高分离效果。
此外，微填充床反应器结构还可以用于反应器内物料的混合、传质和分散等过程。
然而，微填充床反应器结构还存在一些改进的方向。
首先，填料的选择和设计是微填充床反应器结构的关键。
目前，常用的填料有球状填料、骨架填料、筛板填料等，但每种填料都有其特点和适用范围。
研究人员可以根据反应的特点和需求，选择合适的填料形状、材料和尺寸，优化填料层的结构，提高反应效果。
其次，微填充床反应器结构的传质和反应机理还需要进一步研究和深入理解。
通过探究微观尺度下的传质和反应规律，可以优化反应器结构和操作条件，提高反应效率和选择性。
dft模拟计算 光催化
dft模拟计算光催化傅里叶变换（DFT）模拟计算光催化过程通常用于模拟和分析光催化材料的光吸收、能带结构、光电导率等性质。
下面是一个简单的DFT模拟计算光催化的流程：1. 定义模型：选择需要研究的光催化材料，确定计算模型的晶胞大小和形状。
可以使用第一性原理计算软件（如VASP、Quantum ESPRESSO等）来进行计算。
2. 建立原子结构：使用原子坐标生成计算模型的原子结构，包括原子的种类、坐标和晶格参数等。
可以通过输入文件（如POSCAR文件）或使用建模软件（如Materials Studio、Vesta等）来完成。
3. 起始结构优化：使用能量优化算法（如共轭梯度、拟牛顿法等）对初始结构进行优化，使得系统达到稳定的能量最小值。
优化算法一般使用基于第一性原理的密度泛函理论（DFT）方法。
4. 能带结构计算：使用DFT计算方法计算材料的电子能带结构，得到材料的带隙大小和能带分布等信息。
这可以通过计算软件提供的相关函数或脚本来完成。
5. 光吸收计算：使用DFT计算方法计算材料在光激发下的吸收光谱，得到材料在不同波长下的吸收强度。
这可以通过在计算中加入外加电场、考虑光子-电子相互作用等方式来实现。
6. 光电导率计算：根据计算得到的电子能带结构和光吸收谱，可以计算材料的光电导率。
光电导率描述了材料在外加光激励下的电导性能，是光催化反应的重要指标之一。
7. 分析结果：对模拟计算得到的结果进行分析和解释，比较不同材料或材料表面的性能差异，评估光催化材料的性能和潜在应用。
DFT模拟计算光催化过程是一种理论模拟方法，结果仅限于计算模型和所使用的方法的精确度和适用性。
在实际应用中，需要结合实验数据和其他计算方法对结果进行验证和进一步研究。
玻璃仪器在光催化反应器设计中的应用考核试卷
18. ABC
19. ABC
20. AD
三、填空题
1.催化剂的固定
2.高硼硅玻璃
3.光学
4.光散射
5.热膨胀系数
6.玻璃纤维增强
7.波长
8.光学抛光
9.石英玻璃
10.玻璃材质
四、判断题
1. ×
2. ×
3. ×
4. ×
5. √
6. ×
7. √
8. ×
9. ×
10. √
五、主观题（参考）
1.玻璃仪器的选择主要考虑因素包括光学性能、化学稳定性、热稳定性和机械强度。这些因素影响光催化效率，例如，高透光率可提高光照效果，良好的化学稳定性可保证长期使用，热稳定性影响反应温度控制，机械强度则关系到反应器结构安全。
9.玻璃仪器的表面粗糙度对光催化效率没有影响。（×）
10.在光催化反应器中，玻璃仪器的紫外线透过率越高，光催化效率越高。（√）
五、主观题（本题共4小题，每题5分，共20分）
1.请阐述在光催化反应器设计中，玻璃仪器选择的主要考虑因素，并说明这些因素如何影响光催化效率。
（）
2.描述玻璃仪器在光催化反应器中的光散射效应，并分析其对光催化反应的利弊。
玻璃仪器在光催化反应器设计中的应用考核试卷
考生姓名：__________答题日期：__________得分：__________判卷人：__________
一、单项选择题（本题共20小题，每小题1分，共20分，在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的）
1.下列哪种玻璃仪器常用于光催化反应器中的光源载体？
（）
2.在光催化反应器设计中，__________玻璃因其高透光率和良好的化学稳定性而常被选用。
扁平形多频超声辐射反应器内停留时间的分布规律
声 化 学反 应器 是指 有超声 波 引入并 在 其作用 下 进 行 化学反 应 的容 器 或 系统 …． 声 化 学反 应 器 因具 有 操作 简单 、 效 率 高等 优 点 而 在 实 际 的工 业 生 产 过 程 中发 挥 着 非 常 重 要 的作 用 。 Ｊ ． 为 提 高 反 应 速 率
ｔ ａ ｎ ｔ ｅ 等 对 涓流床 反应 器流 体停 留时间和 轴 向扩 散 进 行 了探究 ． Ｇ ｏ ｎ ｄ ｒ ｅ ｘ ｏ ｎ等 对 圆柱 形超 声反 应器 进 行 了实验 探究 ， 发 现超 声 波 对 停 留时 间分 布 的影 响 显著． 反应 器几 何 构 型 、 外 在 干 扰 等 的 多样 性 ， 使 反 应 器停 留时 间分布 呈 现 不 同的 特性 ， 有关 多频 超 声
１ 实验 装 置 与 方 法
１ ． １ 实验 装置
实验装置 如 图 １ 所示． 为便于操作 、 清洗和经
济性 ， 实验 中用 纯净 水 代 替 油体 作 反 应 器 的流 动介 质． 原料 罐 内流体 利用 位 能 ， 通 过转 子流 量计进 入反 应器 ， 再 通过 泵被 输送 到高 位储 罐 中．
文 中采用 ｐ Ｈ Ｂ ． ３ 型ｐ Ｈ仪 ， 以纯净水作流体 、 Ｋ Ｏ Ｈ溶液作示踪剂， 采用脉冲法实时测定 了 扁平 形 多频超 声辐射反 应 器的 出口 Ｋ Ｏ Ｈ应 答信 号 ， 得 到 了反 应 器 内流体 的停 留时 间分布 曲线， 研究 了超声功率和流体流量对反应器 内流体流动形态及非理想性 的影响． 同时， 用 多釜 串联 模 型对 实验数 据进 行相 关模 拟 ， 得 到 以下 结论 ： 在超声功率为 ２ ｏ ０ｗ，流量 分 别 为２ Ｏ 、 ３ Ｏ Ｌ ／ ｈ时 ， 理 论 串联 釜数 目分别 为 ６ ． Ｏ ６ 、 ６ ． ７ ６， 且流 量较 大 时模 拟效 果较 理 想 ， 此 时
光催化降解废气过程中紫外辐射照度模拟和优化
光催化降解废气过程中紫外辐射照度模拟和优化邱秋;张丽;董丽华;刘辉【摘要】为在光催化设计中合理布置紫外灯,减少光在传榆过程中的损失,概括总结径向辐射模型、多点源叠加近似辐射模型和离散坐标辐射模型等3种经典的紫外辐射物理模型；基于离散坐标辐射模型模拟某公司生产的光催化氧化废气处理装置的紫外辐射照度；通过调整灯管布置距离改变光强分布,并拟合光催化单元和光催化网表面的平均紫外辐射照度随灯管布置距离变化曲线.结果表明,距离参数在55～65 mm时,该光催化反应装置的光能利用率较好；紫外灯的合理布置可有效提高光能利用率.【期刊名称】《计算机辅助工程》【年(卷),期】2012(021)002【总页数】5页(P34-38)【关键词】光催化;紫外灯;紫外辐射照度;离散坐标辐射模型;灯管布置距离【作者】邱秋;张丽;董丽华;刘辉【作者单位】上海海事大学物流工程学院,上海201306;上海海事大学海洋材料科学与工程研究院,上海201306;上海海事大学海洋材料科学与工程研究院,上海201306;浙江天昱环保设备有限公司,浙江嘉兴314100【正文语种】中文【中图分类】U441.5;U444.18;TB1150 引言随着废气污染的日益严重，光催化氧化反应降解气相污染物技术越来越受到化学工程技术人员的关注.与传统废气处理技术相比，光催化氧化技术具有活性高、反应条件温和、操作简便、降解污染物效率高和可同时降解多种污染物等优点.目前，在运用光催化氧化技术降解气相污染物方面，光催化反应装置大多采用的是光催化剂直接附着在光催化反应器壁上或者附着在固体支撑物上的结构，避免粉末状光催化剂后期难以回收的问题.从商业化角度看，光催化反应装置要求在取得较好处理效果的前提下尽量降低光能成本.另外，在光催化理论方面，OKAMOTO等［1］发现在低光强时反应速率与光强成正比，在中光强时反应速率与光强平方根成正比，在高光强时反应速率不随光强变化而变化.为使气固光催化反应装置能有效利用光能，确定降解污染物所需的合适光强与布置紫外灯管以保证光强在大面积光催化剂表面上的均匀分布非常关键.杨莉萍等［2－3］提出针对不同污染有机物浓度、去除效率和气体流量确定光催化氧化降解气相污染物所需光强的数学模型，并在此基础上给出简单、可靠的光强估计方法，为光强的选择提供依据.目前，对紫外灯布置设计的研究还很少，本文以某公司生产的光催化氧化装置为对象，利用紫外辐射物理模型模拟光催化反应器内的紫外辐射照度分布，期望优化后的紫外灯布置能更有效地利用光能.1 紫外辐射物理模型在光催化氧化反应器设计中，利用光学原理模拟光催化反应腔内的紫外辐射照度分布，对于如何确定最有效的紫外灯布置具有重要意义.用于紫外辐射照度计算分析的典型模型主要包括径向辐射模型［4－5］、多点源叠加近似辐射模型［6］和离散坐标辐射模型等.径向辐射模型将紫外灯看作一个光能沿轴向均匀分布的线光源，并认为紫外光垂直于灯管轴线并以柱面形式沿径向向外辐射能量.杨正名等［4］验证基于径向辐射模型求得的紫外辐射照度与实际测量的紫外辐射照度较吻合.多点源叠加近似辐射模型将一个线光源分为轴上的一系列等空间点光源，并认为各点光源互不影响，且以球面形式独立、均匀地向周围辐射能量，已被证明是合适的计算方法.离散坐标辐射模型是解算辐射传递方程中的5个数值模型之一，该模型考虑紫外辐射的吸收和散射，但未考虑紫外辐射的折射影响.FLUENT有内建的离散坐标辐射模型，运用有限体积法解算离散坐标辐射模型，求得紫外辐射照度.［7］1.1 径向辐射模型对于径向辐射模型，与紫外灯同轴的等半径圆柱面为等辐射照度面.单灯管圆柱形光催化反应器见图1，设半径为r处圆柱面上的紫外辐射照度为E，则在半径为r+dr处圆柱面上的紫外辐射照度为E+dE，并设半径为r处的紫外辐射线性吸收系数为ar，反应腔内的紫外辐射线性吸收系数为aw，石英套管内的紫外辐射线性吸收系数为aq，石英套管与灯管之间空气的紫外辐射线性吸收系数为aa.由于半径为r处圆柱面的紫外辐射能通量是半径为r+dr处圆柱面的紫外辐射能通量与两柱面之间吸收掉的紫外辐射能通量之和，即式中:L为紫外灯管长度.图1 单灯管圆柱形光催化反应器Fig.1 Cylindrical photocatalysis reactor with single lamp设灯管表面的紫外辐射照度为E0，忽略高阶项drdE并对式(1)积分，得反应腔内半径为r处圆柱面的紫外辐射照度式中:P为紫外灯的功率;η为紫外灯的紫外输出效率;r0为紫外灯的外径;r1为石英套管内径;r2为石英套管外径.对于光催化单元(见图2)内的多灯管布置，由径向辐射模型原理可知，与灯管垂直的各截面的紫外辐射照度都一样，只需考虑某一截面z0，并假设各灯管在截面 z0的圆心坐标为(xi，yi)，i=1，2，…，N.扩展式(2)，得反应腔内的任意点(x，y)的紫外辐射照度式中:图2 多灯管光催化单元Fig.2 Photocatalysis unit with several ultraviolet lamp 1.2 多点源叠加近似辐射模型对于多点源叠加近似辐射模型，建立如图3所示的Oxyz坐标系，其中，z方向平行于紫外灯轴线方向，(x0，y0)为紫外灯轴线位置，且灯管一端在xOy平面上.将紫外灯线光源沿z轴方向划分为M个微元，每个微元作为一个独立的点光源;每个点光源都以球面辐射形式向周围均匀辐射能量(即相同半径球面上的紫外辐射照度都相等).根据灯管在点(x，y，z)处的紫外辐射照度是M个微元在该点的紫外辐射照度的叠加，可得图3 含单根紫外灯的光催化反应器Fig.3 Photocatalysis reactor with single ultraviolet lamp对于图2所示的光催化单元内的多灯管布置，区域内任意点的紫外辐射照度为N 根灯管在该点的紫外辐射照度的叠加.设各灯管的轴线位置为(xj，yj)，各灯管在区域内任意点(x，y，z)的紫外辐射照度为 Ej(x，y，z)，j=1，2，…，N，对式(8)扩展得反应腔内任意点的紫外辐射照度(不考虑反射和折射，只考虑介质对紫外的吸收)1.3 离散坐标辐射模型影响光传播的因素包括光的发射、散射和吸收等，光辐射传递见图4，其中散射可分为内散射和外散射.图4 辐射传递Fig.4 Radiation transfer式(19)为辐射传递方程，等式左边表示光强沿路径s的变化量;等式右边第一项表示由于介质吸收光子引起的光能损失;等式右边第二项表示由于光子的出散射引起的光能损失;等式右边第三项为局部发射;等式右边第四项表示因光子的入散射而引起光能的增加.式中:ν为辐射频率，s－1;s为辐射位置，m;Ω为立体角，sr;Iν为辐射度，W/(sr·m2);σν为散射系数，m－1;κν为吸收系数，m－1;σ为斯蒂芬－波耳兹曼常数(5.673 ×10－8W/(m2·K4));T 为温度，K，紫外辐射模拟时温度应设为1 K，减小温度对紫外辐射照度分布的影响;p(Ω′→Ω)为辐射传递方程中的散射相函数(表示来自一个方向的射线散射到某个其他方向的可能性)，无量纲.当不考虑散射时，式(19)可转化为在基于离散坐标辐射模型进行紫外辐射照度模拟分析时，一般只考虑紫外线性吸收系数，忽略散射的影响.当光源为平行光时，对式(20)积分，可得Lambert－Beer 法则当光源为点光源时，对式(20)积分，可得点光源模型的紫外辐射照度式中:Eν(r)为单位时间、单位面积接收到的频率为ν的光子能量，W/m2;Pν为点光源发出频率为ν的光子能量，W;r为点光源的球半径，m.PAREEK等［8］将来自各个方向的内辐射在某点产生的紫外辐射照度表示为式中:Eν为辐射频率为ν时的紫外辐射照度，W/m2.2 紫外辐射照度模拟和优化分析由各个紫外辐射物理模型的原理可知，径向辐射模型相对于离散坐标辐射模型和多点源叠加近似辐射模型来说，误差相对较大.其原因是径向辐射模型假设辐射只沿灯管的径向辐射，且等半径的圆柱面上的紫外辐射照度相同;而实际情况是灯管中间截面上的紫外辐射照度大，两端小.由于径向辐射模型计算较简单，在大致估计紫外辐射照度时优先考虑径向辐射模型.对于一般的光源布置，可编写程序实现紫外辐射照度分布模拟;对于较复杂的结构，编程较复杂，可采用FLUENT内建的离散坐标辐射模型模拟紫外辐射照度，目前，该方法应用较多.某公司生产的光催化废气处理装置已投入使用，现场运行结果表明废气处理效果良好.根据实际废气流量和废气浓度的不同，已生产有各种规格的光催化废气处理装置，其内部结构由如图2所示的光催化单元串联而成.本文分析的光催化氧化装置由含11根紫外灯的光催化单元串联而成，所采用的紫外灯是主波段为254 nm的低压汞光灯，有效长度为84 cm，石英套管外径为25 mm，灯管功率为90 W，有效的紫外输出效率为30%.最初设计的光催化单元中的紫外灯成一字排开，为进一步提高光能利用率，对光催化单元内的紫外灯布置进行相应调整，调整后的光催化单元三视图见图5.其中，d为2根紫外灯之间的距离;D为需要优化的参数，分别取 0，10，…，180 mm(装置最初设计时，D=0)，其他参数保持不变.图5 光催化单元三视图，mmFig.5 Orthographic views of photocatalysis unit，mm由于在实际废气处理过程中反应腔内的透射率变化较大，而透射率又对紫外辐射照度的影响较大，按99%，97%和95%的透射率分别进行紫外辐射照度模拟，以保证优化得到的紫外灯布置方案在较宽的透射率下有较好的光能利用率.另外，光催化装置所用材料为铝合金，其壁面反射率为0.8.3种不同透射率下得到的平均紫外辐射照度随参数D的变化见图6.图6 3种透射率下得到的平均紫外辐射照度随参数D的变化Fig.6 Change of average light intensity with D under three kinds of different transmissivities 由文献［2］可知，污染物去除效率式中:k1为光催化膜的光吸收率;λ为紫外光波长;A为光催化膜面积;E为紫外辐射照度;Cin为进口浓度;qv为气流量;h为普朗克常数;c为光速;n为污染物降解过程中所需的羟基自由基的个数.由于污染物进口浓度较高，k1取1，即污染物完全俘获电子空穴对，此时光生电子空穴对的产生成为限制因数.本文装置只调整参数D来改变E，其他参数不变，由式(24)可知，有效提高光催化单元内的E，即可提高污染气体的降解效率.由图6可知，参数D为55～65 mm时比D为0时能更有效地利用光能，其污染物降解效率高.95%透射率下的紫外辐射照度分布见图7，可知，参数D为60 mm的紫外辐射照度分布比D为0的紫外辐射照度分布更均匀，且总体紫外辐射照度较大.另外，对光催化装置的实际现场测试结果表明，改善后的光催化装置降解效率提高.图7 95%透射率下的紫外辐射照度分布Fig.7 Ultraviolet irradiance distribution under 95%transmissivity3 结束语在使用固定化的光催化剂进行光催化反应器设计时，为使光能辐射到所有的催化剂表面，提高光子的利用率，必须优化反应器的几何结构.针对某公司的光催化氧化处理废气装置，分析光催化装置内的紫外辐射照度，概括总结3种典型的紫外辐射物理模型，并在此基础上采用离散坐标辐射模型进行紫外辐射照度模拟分析.由于光催化反应速率与紫外辐射照度成正比，而所讨论的光催化装置中只改变紫外辐射照度，不改变气流量、光催化膜面积、紫外光波长、有效体积和污染气体进口浓度等其他参数，因此可通过调整参数D来增加紫外辐射照度，达到提高光催化反应效率的目的.运用紫外辐射物理模型模拟分析光催化氧化装置内的紫外辐射照度，对如何甄选不同的灯管布置方案有实用价值.参考文献:【相关文献】［1］OKAMOTO K，YAMAMOTO Y，TANAKA H.Kinetics of heterogeneous photocatalytic decomposition of phenol over anatase TiO2power［J］.Bull Chem Soc Jpn，1985，58(7):2023－2027.［2］杨莉萍，刘震炎.光催化氧化有机物所需光强的数学模型和估计方法［J］.上海交通大学学报，2005，39(11):1895－1898.YANG Liping，LIU Zhenyan.The mathematical model and estimated method for predicting light intensity on photocatalysis［J］.J Shanghai Jiaotong Univ，2005，39(11):1895－1898.［3］杨莉萍，刘震炎，施建伟，等.光催化降解室内气相甲醛的光强研究［J］.太阳能学报，2007，28(7):689－694.YANG Liping，LIU Zhenyan，SHI Jianwei，et al.Study on light intensitiesof photocatalytic degradation of indoor gaseous formaldehyde［J］.Acta Energiae Solaris Sinica，2007，28(7):689－694.［4］杨正名，柴国生，宋炜，等.低气压汞灯紫外辐射的物理模型［J］.照明工程学报，2004，15(2):10－15.YANG Zhengming，CHAI Guosheng，SONG Wei，et al.Physical mould of UV radiation from low－pressure mercury lamp［J］.China Illuminating Eng J，2004，15(2):10－15.［5］张光辉.UV消毒MBR出水及反应器水力特性和UV剂量计算的研究［D］.天津:天津大学，2006.［6］BOLTON J R.Calculation of ultraviolet fluence rate distributions in an annular reactor:significance of refraction and reflection［J］.Water Res，2000，34(13):3315－3324. ［7］温正，石良辰，任毅如.流体计算应用教程［M］.北京:清华大学出版社，2009:60－81.［8］PAREEK V，CHONG S，TADÉ M，et al.Light intensity distribution in heterogeneous photocatalytic reactors［J］.Asia－Pacific J Chem Eng，2008，3(2):171－201.。
不同热流下光催化反应器内光强分布模拟
不同热流下光催化反应器内光强分布模拟
顾贤哲;魏庆宇;黎芷均;曹飞
【期刊名称】《工业加热》
【年(卷),期】2023(52)1
【摘要】研究了不同热流密度下反应器内部光子分布和吸收规律。
对反应器内的固-液两相流动过程进行数值模拟,得到不同工况下的催化剂颗粒分布;再以此为基础,利用蒙特卡洛法和六通量模型模拟反应器内部的光子分布规律。
研究结果表明,对颗粒分布而言,辐射热源为弱影响因素。
在合适的浓度范围内,辐射热源能明显提高局部光子吸收率。
在内热源一定时,增加浓度,也能明显提高光子局部吸收率,但增加到一定程度后,增幅逐渐变小。
【总页数】6页(P24-29)
【作者】顾贤哲;魏庆宇;黎芷均;曹飞
【作者单位】河海大学机电工程学院;北京航天动力研究所
【正文语种】中文
【中图分类】O472.3
【相关文献】
1.离子液体催化烷基化旋流反应器内轻相停留时间分布模拟研究
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3.不同结构的夫琅禾费三缝衍射光强分布及光强计算机模拟
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辐射复合在光催化中的作用
辐射复合在光催化中的作用光催化技术是一种利用光能催化化学反应的方法，被广泛应用于环境净化、能源转化和有机合成等领域。
辐射复合作为光催化过程中的重要环节，对提高催化效率和反应选择性起到了关键作用。
辐射复合是指在光催化反应中，光能激发催化剂上的电子，使其与吸附在催化剂表面的活性物种发生相互作用，从而形成新的活性物种，促进催化反应的进行。
辐射复合的作用主要体现在以下几个方面：1. 电子转移：光照下，催化剂吸收光能并激发电子，这些激发态的电子能够与吸附在催化剂表面的活性物种进行电子转移。
通过电子转移，催化剂能够向活性物种提供电子，从而改变其化学性质，促进催化反应的进行。
2. 活性物种生成：光照下，催化剂表面的激发态电子能够与吸附在催化剂表面的分子发生反应，生成具有活性的中间体或自由基。
这些活性物种具有较高的反应活性，能够与反应物发生反应，从而促进催化反应的进行。
3. 能量转移：光照下，催化剂表面的激发态电子能够与吸附在催化剂表面的活性物种进行能量转移。
通过能量转移，催化剂能够向活性物种提供能量，从而改变其反应活性，促进催化反应的进行。
4. 光吸收增强：辐射复合能够增强催化剂对光的吸收能力。
在光催化反应中，催化剂对光的吸收能力直接影响着催化剂的光催化活性。
辐射复合能够提高催化剂表面的电子密度，增强其对光的吸收能力，从而增强催化剂的光催化活性。
5. 反应速率增加：辐射复合能够提高催化反应的速率。
在光催化反应中，辐射复合能够提高催化剂表面活性物种的浓度，降低催化反应的能垒，从而促进催化反应的进行。
同时，辐射复合还能够增加反应的活性位点，提高催化剂表面的反应速率。
辐射复合在光催化中起着至关重要的作用。
通过电子转移、活性物种生成、能量转移、光吸收增强和反应速率增加等机制，辐射复合能够提高催化剂的光催化活性，促进催化反应的进行。
在未来的研究中，我们有望进一步深入理解和利用辐射复合的作用机制，开发出更高效、可持续的光催化材料和技术，为环境净化和能源转化等领域提供更好的解决方案。
紫外光催化反应器
紫外光催化反应器
紫外光催化反应器是一种利用紫外光催化剂来促进化学反应的器件。
紫外光催化反应器常用于光催化氧化、光协同照射还原、光催化引发重要有机反应等领域。
紫外光催化反应器最常用的催化剂是钛酸钡（TiO2）。
当紫
外光照射到钛酸钡上时，能够产生激发态电子和空穴。
这些激发态电子和空穴能够参与化学反应，如氧化有机污染物、还原重金属离子等。
紫外光催化反应器的优点包括：
1. 相对温和的反应条件：紫外光催化反应器通常需要较低的温度和压力，不需添加高温或高压条件下的催化剂。
2. 高效催化：紫外光可以激发催化剂的激发态电子和空穴，增加催化活性。
3. 环境友好：紫外光催化反应器可以在较温和的条件下实现有机物的降解，从而减少了有毒气体的产生和排放。
紫外光催化反应器在环境保护、水处理、有机合成等领域有广泛应用。
例如，它可以用于去除水中的有机物污染物、降解空气中的挥发性有机化合物，以及催化有机合成中的关键步骤等。
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文献 标识 码
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的平 板式 填充 床 光催 化反应 器 内的辐射 能 分布 和 吸收状 况 ．
关 键 词 光 催 化 中图分 类 号
光 催 化 反 应 器 二 氧 化 钛
辐 射 能 分 布 Ａ 文章 编号 ０ ３ — １５ （ ０ ２ ０ ４ ８ １７ ２ ０ ） ８—０ ７ ７ ５—０ ５
Ｔ ０４ Ｑ ３
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与 应 用 教 育 部 重 点 实 验 室 ，上 海 ２ ０ ３ 华 东 理 工 大 学 联 合 化 学 反 应 工 程 研 究 所 ， 上 海 ２ ０ ３ ） ０ ２ ７； ０ ２ ７
摘
要 采 用 以 玻 璃 弹 簧 为 载 体 的 新 颖 负 载 型 光 催 化 剂 ，设 计 实 验 测 试 该 催 化 剂 的 辐 射 能 分 布 状 况 ， 通 过 实 验
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测 量 修 正 双 通 量 模 型 的 参 数 ，并 使 用 修 正 双 通 量 模 型 进 行 计 算 ， 上 述 实 验 值 与 理 论 计 算 值 吻 合 较 好 ，说 明 修 正 双 通 量 模 型 可 准 确 模 拟 多 相 光 催 化 反 应 器 的 辐 射 能 传 递 行 为 ． 最 后 ， 采 用 该 模 型 描 述 了 由 此 负 载 型 催 化 剂 构 成
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第 ５ ３卷
第 ８期
化
工
学
报
Ｖｏ ． ３ Ｎ ８ １５ Ｑ Ａｕ ｕ ｔ ２ ０ ｇ ｓ ０ ２
２０ ０ ２年 ８月
Ｊ ｕｎ ｌ ｏ Ｃ ｅ ｃｌ Ｉｄ ｓ ｙ ａ ｄ Ｅ ｇｎｅｉｇ （ ｈｎ ） ｏ ｒａ ｆ ｈ ｍｉ ｎ ｕｔ ｎ ｎ ｉｅｒ ａ ｒ ｎ Ｃ ｉａ