一种固定式光催化反应系统的制作方法

1.本发明涉及光催化技术领域，具体涉及一种固定式光催化反应系统。


背景技术：

2.固定式光催化反应器，用于光催化反应，在固定式光催化反应器中，光催化剂是固定的，反应器中设置有搅拌桨和惰性气体进气管，设置搅拌桨的目的在于可以通过搅拌桨转动使釜内的液体倒转混合，使反应器中的反应液倒转混合，加快反应物之间的混合，使反应物之间的接触面积增大，有利于反应的进行，从而提高反应效率，设置惰性气体进气管的目的在于可以通过惰性气体维持反应体系的稳定，防止反应液中在光催化反应中产生的溶解氧对催化剂的活性产生影响，从而提高光催化反应的效率。然而光催化反应存在不同的反应进程，搅拌桨的搅拌速度和惰性气体流量大小在不同的反应进程中也存在区别，过大或者过小的搅拌速度和惰性气体流量对反应效率存在负面影响。因此在光催化反应中，需要对搅拌桨的搅拌速度和惰性气体流量同时进行调节。
3.在调节搅拌桨的搅拌速度过程中，也需要同时调节惰性气体的流量大小，随着搅拌速率的增加，气体的吸收率也会增加，因此需要适当增加惰性气体的流量，以保证反应体系中气体分压的稳定；随着搅拌速率的降低，反应溶液的混合程度会减小，从而影响惰性气体在反应体系中的溶解度和分布，需要适当减少惰性气体的流量，以维持反应体系中气体分压的稳定，避免反应进程的波动。
4.现有技术中，搅拌桨和惰性气体进气管是分开设置，浪费了系统空间，从而降低了设备的集成化程度，并且惰性气体是通过惰性气体进气管插入反应液中，从而使惰性气体过于集中，会在反应液中形成障碍物，从而降低反应的进行。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种固定式光催化反应系统，提高设备的集成化程度和提高光催化反应效率。
6.本发明所采用的技术方案如下：一种固定式光催化反应系统，包括：反应器、光催化剂和搅拌桨，所述搅拌桨设置在反应器内，所述搅拌桨包括中空轴杆和多个桨叶，每个桨叶上分布有多个出气孔，所有出气孔与所述中空轴杆联通构成惰性气体进入反应液的进气通道；惰性气体进入中空轴杆后沿出气孔喷出推动搅拌桨转动，或中空轴杆基于搅拌桨转动产生负压吸入惰性气体，并将惰性气体由多个出气孔排出使惰性气体进入反应液。
7.相比现有技术，本发明的有益效果在于：通过惰性气体进入中空轴杆后沿出气孔喷出推动搅拌桨转动，或搅拌桨的中空轴杆基于搅拌桨转动产生负压吸入惰性气体，实现搅拌桨的转速和惰性气体的流量同步调节，通过调节搅拌桨的转速达到调节惰性气体的流量，或者通过调节惰性气体的流量达到调节搅拌桨的转速，适应光催化反应在不同的反应进程对搅拌桨的搅拌速度和惰性气体流
量的同步调节，节约了系统空间，提高设备的集成化程度；通过在桨叶上设置多个出气孔，惰性气体通过中空轴杆后从桨叶上的出气孔排入反应液中，使惰性气体的气泡均匀分布，避免形成障碍物，提高了反应效率。
8.作为本发明优选的实施方式，所述桨叶包括弯折部和竖直部，竖直部沿所述中空轴杆的径向设置在中空轴杆上，弯折部设置在竖直部沿中空轴杆的轴线延伸的端面，以使中空轴杆基于搅拌桨转动产生负压吸入惰性气体，并将惰性气体由多个出气孔同时排出使惰性气体进入反应液。
9.在固定式光催化反应器中，由于催化剂固定设置，将桨叶设置为竖直部和弯折部，搅拌桨在搅拌过程中能够形成涡流，使反应液倒转混合，加快反应物之间的混合，使反应物之间的接触面积增大，有利于反应的进行，从而提高处理效率，并且产生的涡流能够避免反应液中的物质堵塞出气孔。
10.作为本发明优选的实施方式，所述弯折部设置在竖直部沿中空轴杆的轴线延伸的下端面，所述多个出气孔设置在弯折部朝向反应器底部的端面上，且沿中空轴杆的径向分布。
11.通过在弯折部朝向反应器底部的端面设置出气孔，且出气孔沿中空轴杆的径向分布，可以更好地将惰性气体引入反应液内部，有利于惰性气体与反应液混合，惰性气体经过出气孔进入反应液中时会产生气泡，在惰性气体生成的气泡向上运动时，通过桨叶的竖直部时，桨叶将惰性气体的气泡击碎，形成微小的气泡，从而增加惰性气体与反应液的接触面积，有助于惰性气体与反应液的充分混合，混合在反应液中的惰性气体占据催化剂表面原来溶解氧气占据的空间，从而减少催化剂表面的氧化作用，使惰性气体对催化剂起到保护作用。
12.作为本发明优选的实施方式，所述弯折部与竖直部之间的夹角为120-150度。
13.将弯折部与竖直部之间的夹角为120-150度，从而使反应液产生更好的倒转混合，强化惰性气体的气泡的分散均匀。
14.作为本发明优选的实施方式，所述出气孔的孔径为10mm-15mm。
15.设置出气孔的孔径为10mm-15mm，能够限制惰性气体的气泡的直径范围，进一步强化惰性气体的气泡的分散。
16.作为本发明优选的实施方式，当惰性气体进入中空轴杆后沿出气孔喷出推动搅拌桨转动，所述桨叶为螺旋桨叶，所述出气孔沿所述中空轴杆虚拟圆周的切线分布，且设置在所述螺旋桨叶的边缘。
17.通过在螺旋桨叶的边缘且沿中空轴杆为中心的圆周的切线上设置出气孔，通过出气孔喷出惰性气体作为动力驱动搅拌桨转动，产生强制对流和切变力，有助于搅拌反应液混合，桨叶在反应液的雷诺数较低时的效率较高，可以减少能量消耗。
18.作为本发明优选的实施方式，还包括惰性气体流量调节组件，所述惰性气体流量调节组件与所述中空轴杆连接，所述惰性气体流量调节组件用于基于搅拌桨的转速在中空轴杆内产生的负压调节进入中空轴杆的惰性气体的流量。
19.通过搅拌桨转速调节惰性气体进入中空轴杆的流量，在能够在避免惰性气体的气泡集中，提高反应效率和节约系统空间，提高设备的集成化程度的同时，能够基于搅拌桨的转速产生的负压调节惰性气体的流量，维持反应体系中气体分压的稳定，避免反应进程波
动。
20.作为本发明优选的实施方式，所述惰性气体流量调节组件包括惰性气体存储容器、气压调节阀和惰性气体进气容器，所述惰性气体存储容器通过气压调节阀和惰性气体进气容器的进气端连接，所述中空轴杆与惰性气体进气容器的出气端连接。
21.通过设置惰性气体进气容器和气压调节阀与惰性气体存储容器连接，在获取搅拌桨转速后能够计算搅拌桨的转速产生的负压，通过气压调节阀调节由惰性气体存储容器进入惰性气体进气容器的惰性气体流量，从而调节惰性气体进气容器与搅拌桨的转速产生的负压的差，从而在相同转速下也可以随意调节惰性气体的流量，实现多元化调节。
22.作为本发明优选的实施方式，还包括驱动组件，所述驱动组件用于驱动所述中空轴杆转动，所述惰性气体进气容器设置有沿竖直方向与所述中空轴杆连接的连接部，所述连接部与所述中空轴杆之间通过机械密封件、旋转轴封、油封、动环、静环、浮环密封件和迷宫式密封件中任一一种连接。
23.通过在连接部与所述中空轴杆之间设置机械密封件、旋转轴封、油封、动环、静环、浮环密封件和迷宫式密封件中任一一种连接，能够在搅拌器的中空轴杆转动的同时，而连接部不需同中空轴杆转动，并且惰性气体能够通过连接部进入中空轴杆中，不仅密封效果好还降低了固定式光催化反应系统设计的复杂度，降低生产成本。
24.作为本发明优选的实施方式，所述驱动组件包括驱动电机，主动齿轮和从动齿轮，所述主动齿轮与所述驱动电机的输出轴键连接，所述从动齿轮固设在所述中空轴杆上，所述中空轴杆上还设置有沿中空轴杆的轴线支撑所述搅拌器的圆锥滚子轴承。
25.通过设置主动齿轮、从动齿轮和圆锥滚子轴承，避免了驱动电机需要与中空轴杆同轴输出从而增加中空轴杆与惰性气体进气容器的出气端的复杂连接关系，还能对搅拌器起到沿中空轴杆的轴向支撑作用。
附图说明
26.图1是本发明固定式光催化反应系统实施例的结构示意图；图2是本发明搅拌桨实施例的结构示意图。
27.附图标记包括：反应器1、搅拌桨2、惰性气体流量调节组件3、驱动组件4、套接可转动连接件5、出气管6、中空轴杆21、桨叶22、惰性气体存储容器31、气压调节阀32、惰性气体进气容器33、驱动电机41、主动齿轮42、从动齿轮43、连接部331、竖直部221、弯折部222、出气孔223。
具体实施方式
28.体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中具体叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。
29.在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”、“一侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
30.实施例1：实施例基本如附图1所示：一种固定式光催化反应系统，包括：反应器1、光催化剂、搅拌桨2、惰性气体流量调节组件3、驱动组件4和出气管6，其中，光催化剂为二氧化钛催化剂。
31.如图2所示，所述搅拌桨2设置在反应器内，所述搅拌桨2包括中空轴杆21和多个桨叶22，每个桨叶22上分布有多个出气孔223，所有出气孔223与所述中空轴杆21联通构成惰性气体进入反应液的进气通道。其中，多个桨叶22环绕中空轴杆21设置，桨叶22的数量和分布位置是根据需求设置，并且根据需求可以在同一个平面设置多个桨叶22，也可以在不同平面上分别设置多个桨叶22中，本实施例中，多个桨叶22包括第一桨叶、第二桨叶、第三桨叶、第四桨叶、第五桨叶和第六桨叶，第一到第六桨叶可以设置在同一个平面，每个桨叶22之间的角度间隔为60度，也可以第一到三桨叶设置在同一个平面，每个桨叶22之间的角度间隔为120度，第四到六桨叶设置在另外一个平面，每个桨叶22之间的角度间隔为120度，能够使底层形成的惰性气体的气泡在上升过程中经历两次桨叶的竖直部，增加桨叶将惰性气体的气泡击碎的几率和对惰性气体的气泡进行二次击碎。而中空轴杆21上设置进气口，进气口用于使惰性气体通过进入中空轴杆21，本实施例中，中空轴杆21的进气口为中空轴杆21伸出反应器1的端部，进气口与惰性气体流量调节组件3连接，而所述中空轴杆21朝向反应器1底部的一端封闭。搅拌桨2在转动时，桨叶22在旋转过程中带动反应器1中的反应液流动，由于反应液流动从而获得动能，桨叶22上的出气孔223的位置处由于流体动压增加，静压降低，形成负压区域，惰性气体在负压的驱动下，通过惰性气体流量调节组件3进入中空轴杆21并通过每个桨叶22的出气孔223进入反应液，即搅拌桨2的中空轴杆21基于搅拌桨2转动产生负压吸入惰性气体，并将惰性气体由多个出气孔223排出使惰性气体进入反应液。
32.所述桨叶22包括弯折部222和竖直部221，竖直部221沿所述中空轴杆21的径向设置在中空轴杆21上，弯折部222设置在竖直部221沿中空轴杆21的轴线延伸的端面。所述弯折部222设置在竖直部221沿中空轴杆21的轴线延伸的下端面，所述多个出气孔223设置在弯折部222朝向反应器1底部的端面上，且沿中空轴杆21的径向分布。所述弯折部222与竖直部221之间的夹角为120-150度。所述出气孔223的孔径为10mm-15mm。
33.所述惰性气体流量调节组件3与所述中空轴杆21连接，所述惰性气体流量调节组件3用于基于搅拌桨2的转速在中空轴杆21内产生的负压调节进入中空轴杆21的惰性气体的流量，本实施例中，所述惰性气体流量调节组件3包括惰性气体存储容器31、气压调节阀32和惰性气体进气容器33，所述惰性气体存储容器31通过气压调节阀32和惰性气体进气容器33的进气端连接，所述中空轴杆21与惰性气体进气容器33的出气端连接，惰性气体进气容器33设置有连接部331，连接部331沿竖直方向与所述中空轴杆21同轴设置，所述连接部331与所述中空轴杆21之间通过套接可转动连接件5连接，套接可转动连接件5包括机械密封件、旋转轴封、油封、动环、静环、浮环密封件和迷宫式密封件中任一一种。通过搅拌桨2的转动在中空轴杆21内产生的负压会抽取惰性气体进气容器33中的惰性气体，从而会提高惰性气体进气容器33真空度，根据理想气体状态方程，可以得到抽出气体的流量与容器内的真空度之间的关系：q=cda(δp/δt)，其中，q表示抽出惰性气体的流量，cd表示惰性气体的流量系数，a表示进气口的横截面积，δp表示惰性气体进气容器33内的压强与中空轴杆21内产生的负压的差的变化率，δt表示时间的变化；可知，随着时间的变化从惰性气体进气
容器33抽出的惰性气体的流量会越来越小，而在惰性气体进气容器33上增加惰性气体存储容器31和气压调节阀32，在中空轴杆21从惰性气体进气容器33抽出惰性气体时，惰性气体存储容器31可以通过气压调节阀32向惰性气体进气容器33补充惰性气体，并且可以随意调节惰性气体进气容器33内的压强与中空轴杆21内产生的负压的差，从而控制抽出气体的流量。
34.所述驱动组件4用于驱动所述中空轴杆21转动，所述驱动组件4包括驱动电机41，主动齿轮42和从动齿轮43，所述主动齿轮42与所述驱动电机41的输出轴键连接，所述从动齿轮43固设在所述中空轴杆21上，其中，主动齿轮42和从动齿轮43均为锥形齿轮，可以改变驱动电机41的输出方向。现有技术中，驱动电机41是设置在搅拌桨2的中空轴杆21的端部的，驱动电机41与中空轴杆21固定连接，通过支撑驱动电机41从而支撑搅拌器，本实施例中，由于驱动电机41与搅拌器的中空轴杆21不是固定连接，也非同轴设置，需所述中空轴杆21与反应器1之间设置圆锥滚子轴承，而中空轴杆21上设置与所述圆锥滚子轴承匹配的锥形卡块，通过锥形卡块卡合在圆锥滚子轴上，圆锥滚子轴起到沿中空轴杆21的轴线支撑搅拌器的效果。
35.实施例2：与实施例1不同的是，惰性气体进入中空轴杆21后沿出气孔223喷出推动搅拌桨2转动，所述桨叶22为螺旋桨叶，所述出气孔223沿所述中空轴杆21虚拟圆周的切线分布，且设置在所述螺旋桨叶的边缘。而多大的惰性气体流量驱动搅拌桨2的搅拌速度是可以根据实验数据采集不同进程下液体流相得出惰性气体流量与搅拌速度的关系曲线。
36.调节方法：根据光催化反应进程调节搅拌桨2的目标转速和惰性气体的目标流量，基于搅拌桨2的目标转速计算中空轴杆21内产生的负压，基于负压和惰性气体的目标流量计算惰性气体进气容器33与负压的差，这里由上述流量公式可知在时间变化率无穷小的时候，惰性气体进气容器33内的压强与中空轴杆21内产生的负压的差的变化率就约等于基于负压和惰性气体的目标流量计算惰性气体进气容器33内的压强与负压的差，基于负压的差和负压计算惰性气体进气容器33内的压强，基于惰性气体进气容器33内的压强值调节气压调节阀32的开度，使惰性气体存储容器31向惰性气体进气容器33补充惰性气体，使惰性气体进气容器33的压强值等于基于负压的差和负压计算惰性气体进气容器33内的压强，实现搅拌桨2的转速和惰性气体流量同步调节。
37.上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

技术特征：
1.一种固定式光催化反应系统，包括：反应器和搅拌桨，所述搅拌桨设置在反应器内，其特征在于：所述搅拌桨包括中空轴杆和多个桨叶，每个桨叶上分布有多个出气孔，所有出气孔与所述中空轴杆联通构成惰性气体进入反应液的进气通道；惰性气体进入中空轴杆后沿出气孔喷出推动搅拌桨转动，或中空轴杆基于搅拌桨转动产生负压吸入惰性气体，并将惰性气体由多个出气孔排出使惰性气体进入反应液。2.根据权利要求1所述的固定式光催化反应系统，其特征在于：所述桨叶包括弯折部和竖直部，竖直部沿所述中空轴杆的径向设置在中空轴杆上，弯折部设置在竖直部沿中空轴杆的轴线延伸的端面，以使中空轴杆基于搅拌桨转动产生负压吸入惰性气体，并将惰性气体由多个出气孔同时排出使惰性气体进入反应液。3.根据权利要求2所述的固定式光催化反应系统，其特征在于：所述弯折部设置在竖直部沿中空轴杆的轴线延伸的下端面，所述多个出气孔设置在弯折部朝向反应器底部的端面上，且沿中空轴杆的径向分布。4.根据权利要求3所述的固定式光催化反应系统，其特征在于：所述弯折部与竖直部之间的夹角为120-150度。5.根据权利要求4所述的固定式光催化反应系统，其特征在于：所述出气孔的孔径为10mm-15mm。6.根据权利要求1所述的固定式光催化反应系统，其特征在于：当惰性气体进入中空轴杆后沿出气孔喷出推动搅拌桨转动，所述桨叶为螺旋桨叶，所述出气孔沿所述中空轴杆虚拟圆周的切线分布，且设置在所述螺旋桨叶的边缘。7.根据权利要求1-6任一所述的固定式光催化反应系统，其特征在于：还包括惰性气体流量调节组件，所述惰性气体流量调节组件与所述中空轴杆连接，所述惰性气体流量调节组件用于基于搅拌桨的转速在中空轴杆内产生的负压调节进入中空轴杆的惰性气体的流量。8.根据权利要求7所述的固定式光催化反应系统，其特征在于：所述惰性气体流量调节组件包括惰性气体存储容器、气压调节阀和惰性气体进气容器，所述惰性气体存储容器通过气压调节阀和惰性气体进气容器的进气端连接，所述中空轴杆与惰性气体进气容器的出气端连接。9.根据权利要求8所述的固定式光催化反应系统，其特征在于：还包括驱动组件，所述驱动组件用于驱动所述中空轴杆转动，所述惰性气体进气容器设置有沿竖直方向与所述中空轴杆连接的连接部，所述连接部与所述中空轴杆之间通过机械密封件、旋转轴封、油封、动环、静环、浮环密封件和迷宫式密封件中任一一种连接。10.根据权利要求9所述的固定式光催化反应系统，其特征在于：所述驱动组件包括驱动电机，主动齿轮和从动齿轮，所述主动齿轮与所述驱动电机的输出轴键连接，所述从动齿轮固设在所述中空轴杆上，所述中空轴杆上还设置有沿中空轴杆的轴线支撑所述搅拌器的圆锥滚子轴承。

技术总结
本专利申请公开了一种固定式光催化反应系统，涉及光催化技术领域，包括：反应器和搅拌桨，所述搅拌桨设置在反应器内，所述搅拌桨包括中空轴杆和多个桨叶，每个桨叶上分布有多个出气孔，所有出气孔与所述中空轴杆联通构成惰性气体进入反应液的进气通道；惰性气体进入中空轴杆后沿出气孔喷出推动搅拌桨转动，或中空轴杆基于搅拌桨转动产生负压吸入惰性气体，并将惰性气体由多个出气孔同时排出使惰性气体进入反应液；适应光催化反应在不同的反应进程对搅拌桨的搅拌速度和惰性气体流量的调节，节约了系统空间，提高设备的集成化程度，惰性气体的气泡均匀分布，避免形成障碍物，提高了反应效率。应效率。应效率。


技术研发人员：饶焱
受保护的技术使用者：优博励康（北京）生物科技有限公司
技术研发日：2023.07.10
技术公布日：2023/8/16