RU2685300C1

RU2685300C1 - Photocatalytic reactor

Info

Publication number: RU2685300C1
Application number: RU2018100353A
Authority: RU
Inventors: Владимир Сергеевич Малкин; Анатолий Алексеевич Викарчук; Евгения Юрьевна Картавцева; Илья Михайлович Соснин
Priority date: 2018-01-09
Filing date: 2018-01-09
Publication date: 2019-04-17

Abstract

Изобретение относится к области фотокатализа, основанного на способности катализаторов активироваться под действием света или ультрафиолетового излучения и ускорять различные реакции. Фотокаталитический реактор содержит корпус с патрубками подачи очищаемой воды 2 и вывода получаемых продуктов 5, 6, в котором размещены одна или несколько ламп 8 и элементы диспергирования загрязнений 9, 13, патрубок подачи воды 2 подсоединен к корпусу по типу гидроциклона по касательной к его внутренней цилиндрической поверхности с примыкающей к ней конической поверхностью, при этом 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, коническая часть корпуса направлена вверх и по центру нижней крышки 7, закрывающей нижний цилиндрический участок конического корпуса, установлена кварцевая трубка с размещенной в ней ультрафиолетовой лампой 8, длина кварцевой трубки с лампой 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, при этом торец конуса совпадает с плоскостью соединенного с ним фланца 12, к которому соосно с выходным отверстием конуса прикреплен диспергатор в виде цилиндрического колпачка 13, донце которого выполнено из пластины, а соединяемые с фланцем 12 стенки колпачка - из свернутой в трубку сетки, причем к фланцу 12 также прикреплена верхняя цилиндрическая часть корпуса реактора в форме трубы 4 с зеркальной внутренней поверхностью, в центре которой расположена закрепленная на крышке трубы через вставку-удлинитель 15 кварцевая трубка с лампой 8, и выше кварцевой трубки на стенке трубы размещен патрубок для отвода воды 5, а патрубок для отвода газообразной фракции 6 размещен вертикально на верхней крышке трубы, в нижней части трубы 4 установлен экран в форме опрокинутого усеченного конуса 16 с диаметром основания конуса, равным диаметру трубы, а отверстие вершины усеченного конуса обеспечивает свободное надевание экрана 16 на колпачок 13 и прилегание экрана 16 к фланцу 12. Технический результат состоит в обеспечении возможности 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. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.The invention relates to the field of photocatalysis, based on the ability of catalysts to be activated under the action of light or ultraviolet radiation and to accelerate various reactions. Photocatalytic reactor contains a housing with nozzles supplying purified water 2 and output of the resulting products 5, 6, which contains one or more lamps 8 and the elements of dispersion of contaminants 9, 13, the water supply nozzle 2 is connected to the body as a hydrocyclone tangentially to its internal cylindrical the surface with the conical surface adjacent to it, while the diameter of the cylindrical surface is about 5 times greater than the diameter of the supply nozzle, the profile section of which in the area of junction to the body in height and width corresponds to approximately 3: 1, the conical part of the housing is directed upwards and in the center of the lower cover 7, covering the lower cylindrical section of the conical case, a quartz tube with an ultraviolet lamp 8 placed in it, the length of the quartz tube with a lamp provides the area of liquid passage between it and the walls of the conical the surface of the casing is not less than the cross-sectional area of the supply nozzle; on the conical part of the casing there are dispersers 9 cascades representing two rows of two levels drilled around the perimeters the cone of the holes 10, while the end of the cone coincides with the plane of the flange 12 connected to it, to which the disperser is attached coaxially with the outlet of the cone in the form of a cylindrical cap 13, the bottom of which is made of a plate, and the cap walls connected with the flange 12 are folded into a tube mesh, and the flange 12 also attached the upper cylindrical part of the reactor vessel in the form of a pipe 4 with a mirror-like inner surface, in the center of which is placed a quartz tube fixed to the pipe cover through an extension 15 A tube with a lamp 8 and above a quartz tube on the pipe wall is placed a pipe for diverting water 5, and a pipe for draining the gaseous fraction 6 is placed vertically on the top cover of the pipe, in the lower part of pipe 4 there is a screen in the shape of an overturned truncated cone 16 with a diameter of the cone base equal to the diameter of the pipe, and the opening of the apex of the truncated cone provides free fitting of the screen 16 on the cap 13 and the fit of the screen 16 to the flange 12. The technical result is to ensure the quality of water cleaning from organic and bactericidal pollution with a high speed of the continuous process due to its activation by a special organization of the water pumped through the reactor and the dispersion of the pollutants in it. The photocatalytic reactor has a simple and technological design for manufacturing. 3 hp f-ly, 1 ill.

Description

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.The invention relates to the field of photocatalysis, based on the ability of catalysts to be activated under the action of light or ultraviolet radiation and to accelerate various reactions, in particular the oxidation of organic substances with oxygen to water and carbon dioxide. Photocatalytic reactors can be used to clean various media, in particular water, from harmful impurities, which are often organic substances, from harmful microorganisms, to remove unwanted odors, etc.

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.For purification of water from organic pollution, UV-emitting lamps have been used for a long time and successfully in reactors. An example of this type of reactor is a device for disinfecting water according to patent RU 2521055. It includes a housing in the form of a glass with inlet and outlet pa-tubes, inside of which there is a disinfection chamber with an ultraviolet lamp enclosed in a closed quartz housing. The water flowing around the quartz casing is exposed to ultraviolet radiation and is disinfected from viruses, bacteria, mold and allergens. The disadvantage of this device is the low productivity of water purification, due to the fact that to ensure sufficient time to ensure the completion of the cleaning process, the speed of water flow past the lamp should be low.

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.Serially produced professional installation of UV water treatment type LIT Master DUV-5A500-N MST, and the like, contain long cylindrical lamps placed in quartz tubes in a straight-precision case. This extends the time of exposure to ultraviolet radiation to the water being purified, but, nevertheless, high cleaning performance is possible only with a large number of lamps in parallel and a general living cross-section of water flow, i.e. large dimensions of the reactor.

Для увеличения скорости протекания процессов очистки воды и расширения номенклатуры удаляемых загрязнений применяют катализаторы. Наиболее часто в качестве катализатора используют диоксид титана TiO₂ 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.Catalysts are used to increase the speed of the process of water purification and expand the range of removable contaminants. Most often, titanium dioxide TiO ₂ is used as a catalyst in a suspended state or supported on an inert carrier. In the first case, a large area of the illuminated surface of the catalyst is provided, but an additional stage of separation of the catalyst at membrane filtration plants is required to return the catalyst particles to the process.

При оптической накачке зерен фотокатализатора происходит генерация в объеме полупроводника, которым является TiO₂, 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.Optical pumping of the photocatalyst grains leads to the generation of electron-hole pairs in the bulk of the semiconductor, which is TiO ₂ , followed by diffusion of these chemically active particles onto the surface of the grains in contact with water or air. Upon reaching the surface, electron-hole pairs interact with oxygen and water molecules, giving rise to a sequence of oxidation reactions, which ensures an intensive process of purification of water or air.

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.Known photocatalytic reactor [Bulletin EAPO (21) 200900592, authors Foster Neil Robert (GB), Bassiti Kurosh (FR), Dementiev VN (RU)]. The reactor is made in the form of a vertically arranged pipe with connections for supplying and discharging the liquid being cleaned and coaxially arranged lamp, to the walls of which are perforated elements arranged in different tiers. In perforated elements, a multitude of moving particles of the photocatalyst are maintained in suspension by a rising flow of air bubbles, the size and density of which are such that during reactor operation they remain on the perforated element. In the upper part of the reactor, aeration air and the gas fraction of the reaction products accumulate. For the release of gases from the reactor has a special valve. The photocatalytic reactor can be used for wastewater treatment using titanium dioxide.

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.The disadvantage of this reactor is that when it is used, it is necessary to maintain an accurate balance of the activity of the feed stream for purification of water into the reactor and the stream of air supplied for sparging water and keeping the particles in suspension in the perforated elements. If this condition is not fulfilled, the particles will either be pressed down to the grid (membrane), poorly illuminated and minimally participate in photocatalytic reactions, or be thrown out of the perforated elements, which leads to the ejection of catalyst particles from the process.

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.Some principles of operation of the reactor in question are used in the proposed design of the photocatalytic reactor, supplemented by structural elements that ensure the activation of the processes taking place due to the effect of cavitation in the flow of the liquid being cleaned.

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.Known hydrodynamic cavitation reactor according to patent RU 2091157, containing a flow chamber with confuser and stepwise expanding sections, in which cavitators are located in the form of cones with the apex direction towards the incident flow of liquid. Due to the rarefaction formed behind the cone, cavitation cavities are formed in the liquid, the collapse of which gives rise to pressure pulsations in the liquid, which leads to the destruction of contaminants in the liquid. Ensuring this process in a photocatalytic reactor will contribute to a deeper and faster cleaning of the liquid.

Задачей изобретения является создание простой и технологичной в изготовлении конструкции фотокаталитического реактора, обеспечивающего производительную и качественную очистку воды с бактерицидными и углеводородными загрязнениями.The objective of the invention is to create a simple and technological in the manufacture of the construction of a photocatalytic reactor, providing productive and high-quality water purification with bactericidal and hydrocarbon contaminants.

Предлагаемый фотокаталитический реактор показан на фиг. 1.The proposed photocatalytic reactor is shown in FIG. one.

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.The reactor consists of the lower part of the housing 1 with the nozzle 2 supplying purified water and the nozzle 3 supplying through the adjustable air jet necessary for the oxidation processes, and the upper part of the case 4 with the nozzle 5 of the purified water outlet and the nozzle 6 of the gases. The water supply pipe is connected to the body as a hydrocyclone tangentially to its internal cylindrical surface with a conical surface adjacent to it. The diameter of the cylindrical surface is about 5 times the diameter of the supply nozzle, the profile section of which in the area of junction to the body is about 3: 1 in height and width. The height of the pipe is located in close proximity to the lower plane of the cylindrical surface of the housing. The air supply nozzle, as well as the water supply nozzle, is connected to the body as a hydrocyclone tangentially to its internal cylindrical surface in the direction of water circulation in the body. The height of the pipe is located in close proximity to the upper plane of the cylindrical surface and the adjoining conical surface of the housing.

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.The conical surface of the lower part of the body is directed upwards, and in the center of the lower cover 7, which covers the cylindrical part of the body, a quartz tube 8 is installed with an ultraviolet lamp placed in it. The length of the tube provides the area of the passage of fluid between it and the walls of the conical surface of the housing is not less than the cross-sectional area of the feed pipe.

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.On the conical part of the body there are cascades of dispersants 9, which are two rows of two holes of a cone drilled around the perimeters of two levels 10 with a diameter of approximately 0.2 of the diameter of the feed nozzle and the distance between the axes of the holes along the cone perimeter of approximately 2 diameters of the hole, and the distance between Levels of rows of holes is approximately equal to 7 diameters of holes. In the disperser on the outer side of the cone there is a space 11 for fluid flow between the rows of holes, limited by a casing tightly connected to the surface of the cone, and the lower edge of the casing is at the level of the lower edges of the holes of the lower row and the surface of the casing is chamfered at an angle of 45 ° to the surface cone.

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.The height of the conical part of the body is assigned from the condition of ensuring the output diameter of the opening of the cone is 1.0-1.5 times the diameter of the inlet pipe. The end of the cone will coincide with the plane of the flange 12 connected to it, to which the disperser of water pollution in the form of a cylindrical cap 13, the bottom of which is made of a plate, is attached coaxially with the flange of the cone, and the walls of the cap connected to the flange of the cap are folded into a grid.

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.The flange is also used for attaching to it the upper part of the reactor vessel in the form of a cylindrical tube with a mirror inner surface, in the center of which there is a quartz tube with a lamp fixed on the lid 14 through the extension plug 15. At the same time, the branch pipe for drainage of water is placed on the pipe wall above the quartz tube, and the branch pipe for removal of gases is placed on the upper cover of the pipe. A screen 16 in the form of an inverted truncated cone with a diameter of the base of the cone equal to the diameter of the pipe is installed in the lower part of the pipe, and the opening of the top of the truncated cone ensures that the screen is freely put on the cap and the screen adheres to the flange 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.Below and coaxially with the gas outlet pipe accumulating in the reactor, there is a valve 17 associated with a float 18 movably mounted in the valve body 19, limiting the valve movement vertically from the closed position to the open position and displacing the valve axis from the nozzle axis . In the valve body there are openings 20 that allow water to flow in and out to the float.

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.The operation of the photocatalytic reactor is as follows. When the lamps in the quartz tubes 8 are turned on, the pump (not shown in Fig. 1) through the nozzle 2, purified water suspended by the fine powder of the catalyst is fed to the lower part of the body tangentially to the inner cylindrical surface of the body. After that, through the nozzle 3 with an adjustable jet, air is supplied to the reactor from a compressor (not shown in Fig. 1) in an amount sufficient to carry out oxidative reactions in the process of water purification from the type of pollution present there. If for the cleaning process there is enough air dissolved in water under natural conditions at atmospheric pressure, then the air supply is not produced.

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.The flow of water, rotating around a quartz tube 8 with an ultraviolet lamp, passes onto a conical surface and increases its rotational speed as it moves towards the apex of the cone. Being in the dispersant zone, a part of the water flow begins to circulate through the openings of the upper and lower tiers.

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 R₁, а радиус выше расположенного сечения R₂ 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 ϕ₁=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:

The operation of the dispersant in the form of two rows of holes spaced from each other along the height of the cone can be explained by the following calculations. If we take the radius of the lower section of the cone R ₁ , and the radius above the located section R ₂ and the radius of the quartz tube, passing coaxially with the axis of the cone, r, then during the spiral movement of the fluid flow along the inner surface of the cone, there is a pressure of centrifugal forces expressed by the formula:

where ρ is the density of the fluid, ω is the angular velocity of rotation of the fluid flow. For one complete revolution (angle ϕ ₁ = 2π) of the fluid in the area of the holes with a diameter d of the lower section of the cone, the volume of fluid passes

From the condition of continuity of flow, the same volume of liquid during the same period of time in the zone of the drilled holes of the upper tier will rotate and pass an angle

The angular velocity of rotation of the flow in sections per unit time t will be:

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.Knowing the rotational speed, it is possible to calculate the centrifugal pressure of the fluid flow on the walls of the cone. It should be noted that the fluid flow passing over the holes has a dynamic pressure, which, by the principle of a spray bottle, tries to “suck” liquid from the hole. The magnitude of the dynamic pressure is expressed by the formula

where V = ωR is the linear velocity.

Используя эти выражения можно найти общее давление жидкости P₀₁ в зоне нижнего яруса отверстий, а также в зоне верхнего яруса - Р₀₂ и составить их отношение, откуда следует:

то есть Р₀₂>Р₀₁.Using these expressions, you can find the total fluid pressure P ₀₁ in the zone of the lower tier of the holes, as well as in the zone of the upper tier - P ₀₂ and make up their ratio, from which it follows:

that is, P ₀₂ > P ₀₁ .

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.Since the holes of the upper tier are connected through the cavity of the dispersant with the holes of the lower tier, water will flow through the holes of the upper tier and flow into the holes of the lower tier. This movement is directed across the flow of water rotating inside the cone, and will “tumble” it, which contributes to the activation of dispersion of water pollution passing through the reactor and acceleration of the photocatalytic process. It is obvious that the total path of rotating in the cone of water and the time of irradiation of water with ultraviolet radiation increase. Particles of catalyst, participating in rotational motion, are illuminated from all sides, and due to the kinetic energy of motion at high speed with different density of particles and hydrocarbon contaminations, the particles collide with pollution molecules and actively destroy them. Since the water is present in the right quantity of air supplied through a controlled jet, ultraviolet-activated catalyst particles oxidize impurities, converting them to gas.

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.When flowing purified water from the lower part of the reactor vessel to the upper part, a jet of water passes the disperser of impurities in the form of a cylindrical cap 13, the bottom of which is made of a plate, and connected to the flange of the cap wall - from a mesh rolled into a tube. When water flows through the grid at high speed, cavitation cavities are formed in sections of the flow shaded by its elements in the liquid, and when they collapse, pressure pulsations occur in the liquid. It also leads to the destruction of impurities in the fluid. The provision of such a process in a photocatalytic reactor contributes to a deeper and faster cleaning of the liquid.

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.Flowing into the upper part of the body, which is a pipe, the diameter of which, for example, is 10 times the diameter of the water supply nozzle, the velocity of water in the pipe decreases by 100 times at equal volume flow rates, respectively, the time for the photocatalytic process increases. It also contributes to a deeper and better cleaning of water pollution, which through pipe 5 is discharged into the membrane filter (not shown in Fig. 1), separating the catalyst particles with their subsequent direction to the pump, injecting purified water and feeding it into the reactor. To better use the radiation of the lamp, the inner surface of the tube of the upper part of the body is ground to a mirror state.

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.Installed in the lower part of the pipe screen 16 in the form of an inverted truncated cone adjacent to the wall of the pipe and the flange 12, eliminates the loss of the catalyst particles in the sediment in the stagnant zones of the volume of the upper part of the reactor vessel.

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.Gas that accumulates in the upper part of the body as an oxidation product of contaminated water and excess air supplied through a nozzle with an adjustable nozzle is discharged through nozzle 6. This happens when the volume occupied by the gas reduces the water level in the upper part of the reactor and the float 18 under with its own weight it drops down until it stops at the bottom of the housing 19. At the same time, the valve 17 associated with the float will open the gas outlet from the reactor to the branch pipe 6. As the gas emerges and the space of the upper part of the reactor is released, ur Water will increase, causing the float 18 to float and close valve 17. Thus, gas will be released periodically as it forms in the photocatalytic process and accumulates in the upper part of the body.

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.Opening the valve is possible if the boundary condition of the balance of gravity of the float assembly with the valve directed downwards and the pressure of the gas pressing the closed valve up to the valve seat made according to the diameter of the orifice 6 is broken.

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.The advantage of the proposed photocatalytic reactor is the possibility of high-quality water purification from organic and bactericidal pollution with a high speed of the continuous process due to its activation by a special organization of the water pumped through the reactor and the dispersion of pollutants inside it.

Фотокаталитический реактор имеет простую и технологичную для изготовления конструкцию.The photocatalytic reactor has a simple and technological design for manufacturing.

Claims

1. Photocatalytic reactor comprising a housing with nozzles supplying purified water and output of the products obtained, in which one or several lamps and elements of dispersion of contaminants are placed, the water supply nozzle is connected to the body as a hydrocyclone tangentially to its inner cylindrical surface with an adjacent conical surface at the same time, the diameter of the cylindrical surface is about 5 times larger than the diameter of the supply nozzle, the profile cross section of which in the area of junction to the body in height and width corresponds to Approximately 3: 1, characterized in that the conical part of the body is directed upwards and in the center of the bottom cover covering the lower cylindrical section of the conical case, a quartz tube with an ultraviolet lamp placed in it is installed, the length of the quartz tube with a lamp provides the area of liquid passage between it and the walls of the conical surface of the housing are not less than the cross-sectional area of the supply nozzle; on the conical part of the housing there are disperser cascades that are two rows drilled around the perimeters two levels of the cone of holes, while the end of the cone coincides with the plane of the flange connected to it, to which a dispersant is attached coaxially with the outlet of the cone in the form of a cylindrical cap, the bottom of which is made of a plate, and the cap walls connected to the flange are from a rolled-up mesh, at the same time, the upper cylindrical part of the reactor vessel is also attached to the flange in the form of a pipe with a mirrored inner surface, in the center of which there is a quartz fixed to the pipe cover I have a tube with a lamp, and above the quartz tube on the wall of the pipe there is a pipe for water drainage, and a pipe for draining the gaseous fraction is placed vertically on the top of the pipe, while in the lower part of the pipe there is a screen in the shape of an overturned truncated cone with a cone base diameter equal to the diameter of the pipe, and the opening of the top of the truncated cone provides free fitting of the screen on the cap and the fit of the screen to the flange.

2. Photocatalytic reactor under item 1, characterized in that the cone holes are made with a diameter of approximately 0.2 of the diameter of the feed pipe and with a distance between the axes of the holes along the perimeter, approximately equal to two hole diameters, and the distance between the levels of the rows of holes is approximately equal seven diameters of the holes, while on the outer side of the cone there is space for fluid to flow between the rows of holes, limited by a casing tightly connected to the surface of the cone, and the lower edge of the casing is at the level e lower edges of the lower row of holes and the surface of the housing is formed as a chamfer angle of 45 ° to the surface of the cone.

3. The photocatalytic reactor according to claim 1, characterized in that the height of the conical part of the body is established from the condition of providing the output diameter of the opening of the cone equal to 1.0-1.5 times the diameter of the inlet pipe.

4. The photocatalytic reactor according to claim 1, characterized in that the valve, connected to a float movably installed in the valve body, limiting the valve movement in the vertical from the closed position to the float, coaxially and coaxially with the branch pipe of the gas fraction obtained in the reactor the “open” position and the displacement of the valve axis from the nozzle axis; in this case, there are openings in the valve body that allow the inflow and outflow of water acting on the float.