两相光催化湍球塔的性能研究

摘要

高效、稳定的光催化反应器的设计是光催化技术走向实用化的关键。本文在原有传统三相湍球塔的基础上加以改造，自行设计并建立了一套两相光催化湍球塔反应器，并从不同方面对湍球塔内部气流的流场进行了实验和数值模拟研究。本文运用大型流体工程仿真计算商业软件Fluent对光催化湍球塔进行了模拟研究；联合使用了机械制图软件CAD和流体仿真计算前处理软件gambit进行了网格划分，采用了气固双流体模型，对塔体内的气流速度进行了三维数值模拟计算和分析，直观显示了其内部流场。在对不同截面的速度分布图进行分析后，指出了不同区域的气体流动状态是不同的。用毕托管在湍球塔层顶部Z=0.6m沿塔径方向的9个测点依次测得塔内气速数据，并与Fluent软件在一定的边界条件初始条件下模拟的数值进行比较，进行了误差分析。本论文以甲醛为降解对象进行直接裸填料光解实验、附膜填料光解实验、单独紫外降解实验以及在紫外灯下填充附膜填料的对比试验。实验表明单独使用紫外灯对甲醛的降解效应并不大，在开启紫外灯同时添加附膜填料对甲醛有很好的去除效果，在降解甲醛方面优于其它，初始浓度为2.5mg/m3的甲醛去除率可达到85%；当催化剂镀膜次数少于3次时，甲醛的降解率会随着镀膜次数的增加而迅速升高，当继续增加镀膜次数时，甲醛降解率反而略有下降。附膜3次达到最佳去除率为89.6%。附膜填料经过使用6次后，去除效率由第一次使用的90.28%下降到37.23%；考察了甲醛的初始浓度对光催化降解效果的影响情况。在一定范围内，甲醛的初始浓度越高降解率越高；一般来说，随着风量增加，去除效率有显著提高。但风量并不是越大越好，浪费能源并且产生节涌影响处理效果；随着填料层高度增加，去除效率显著增加，当静止床层高度达到0.07m左右时，去除效率达到95%左右。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 气固相光催化反应器的研究现状

1.2.2 湍球塔的研究状况及设计计算

1.2.3 半导体多相光催化技术的研究及应用

1.2.4 计算流体力学及其应用

1.3 课题的提出和研究的意义

1.4 论文的研究内容

第2章 湍球塔反应体系的设计

2.1 两相光催化湍球塔反应器的设计

2.1.1 两相光催化湍球塔的特点

2.1.2 两相光催化湍球塔的结构

2.2 湍球塔尺寸设计方案

2.2.1 选择小球直径

2.2.2 选择塔径

2.2.3 选择床层孔隙率

2.2.4 选择板间距

2.2.5 选择静止床层高

2.2.6 选择床层膨胀高度

2.2.7 选择临界速度

2.2.8 选择操作气速

2.2.9 花板的设计

2.3 本章小结

第3章 气固两相湍动的数值模拟研究

3.1 实验方案及一般介绍

3.1.1 实验介质

3.1.2 实验仪器

3.1.3 实验的内容和方案的设计

3.1.4 实验数据的分析及处理方法

3.2 湍流的数学模型和数值求解方法介绍

3.2.1 湍流数学模型

3.2.2 湍流的物理特性

3.2.3 数值求解基本方法

3.3 气固两相湍动的数值模拟研究

3.3.1 Fluent软件介绍

3.3.2 计算区域及网格划分

3.3.3 计算条件和湍流模型

3.3.4 数值模拟的结果与分析

3.4 本章小结

第4章 光催化湍球塔对甲醛处理效果实验

4.1 降解对象的确定

4.2 实验方案的设计

4.2.1 甲醛气体的模拟

4.2.2 TiO_2光催化层的制备

4.2.3 光源的选择依据

4.2.4 实验系统的设计

4.2.5 甲醛初始浓度的确定

4.2.6 实验内容

4.3 结果与讨论

4.3.1 空白试验

4.3.2 附膜次数对去除率的影响

4.3.3 附膜填料的使用周期

4.3.4 甲醛气体初始浓度对去除率的影响

4.3.5 进风量对去除率的影响

4.3.6 静止床高度对去除率的影响

4.4 本章小结

结论

参考文献