Способ получения озона в сверхзвуковом сопле

 

Использование: озонирование атмосферы, водо-и газоочистка, фармацевтика. Сущность изобретения: берут кислородсодержищий газ с температурой не ниже температуры конденсации кислорода, сжимают его перед истечением в сверхзвуковую область сопла, а при истечении в сверхзвуковой области дополнительно генерируют и/или вводят атомарный кислород. Последний генерируют и/или вводят в избыточной концентрации по крайней мере в одном из сечений сверхзвуковой области сопла. Генерацию и/или введение атомарного кислорода можно осуществлять скачком или стационарным окочком. 3 з. п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к химической физике, в частности к получению озона, и может быть использовано в экологических целях для озонирования атмосферы, в системах водо- и газоочистки, фармацевтике и в научных целях.

Известные способы получения озона основаны на разложении кислородсодержащего газа в разрядных системах, использующих барьерный, СВЧ или иной разряд, через который пропускают этот газ [1, 2] Известные способы широко используются в промышленности. Однако они не всегда могут удовлетворить потребность потребителя, если ему требуются значительные количества озона (килограммы и более). В связи с тем, что при использовании известных способов получения озона с единицы объема озонатора получают низкие весовые количества озона, поэтому для увеличения выхода озона, т.е. для увеличения производительности, необходимо увеличивать количество озонаторов, что приводит к увеличению размеров установки. Это связано с тем, что для увеличения весовых значений озона, получаемых с единицы объема озонатора, необходимо увеличить расход газа, что невозможно без увеличения объема установки и системы охлаждения.

Таким образом, основным недостатком указанных способов является ограничение возможности увеличения выхода озона с единицы объема озонатора и, как следствие, ограничение возможности повышения производительности.

Трудности, связанные с необходимостью увеличения расхода газа и повышения интенсивности охлаждения, практически устранены в способе получения озона, выбранном в качестве прототипа [3] Указанный способ заключается в нагреве исходного кислорода до 2000-3000 К, сжатии до 1-150 атм и пропускании через сверхзвуковое сопло. При этом достигается возможность значительного увеличения расхода газа через единицу сечения сопла и увеличения интенсивности охлаждения газа благодаря его сверхзвуковому истечению в сопле. Однако весовые значения выхода озона с единицы объема озонатора по-прежнему остаются недостаточными. Кроме того, необходимость нагрева кислорода в строго определенном интервале достаточно высоких температур определяет высокие требования к надежности и безопасности конструкции озонатора, что, в свою очередь, ограничивает возможность дальнейшего увеличения выхода озона.

Задачей изобретения является создание способа получения озона, который при сохранении достоинства прототипа позволит значительно увеличить выход готового продукта относительно простым и экономичным способом.

Задача решается путем создания способа получения озона в сверхзвуковом сопле, при котором осуществляют истечение предварительно сжатого кислородсодержащего газа в сверхзвуковую область сопла, который отличается от известного тем, что кислородсодержащий газ берут с температурой не ниже температуры конденсации кислорода, а при истечении указанного газа в сверхзвуковой области сопла дополнительно генерируют и/или вводят атомарный кислород.

Кроме того, генерацию и/или введение атомарного кислорода осуществляют с избыточной концентрацией последнего по меньшей мере в одном из сечений сверхзвуковой области сопла.

Изобретение отличается также тем, что генерацию и/или введение атомарного кислорода осуществляют скачком или стационарным скачком. Под скачком здесь понимается мгновенное изменение концентрации атомарного кислорода от значений, близких к нулю, до конкретных заданных значений.

В качестве стационарного скачка рассматривается скачок, характеристики которого не меняются во времени.

Главный технический результат, достигаемый изобретением, заключается в значительном увеличении выхода готового продукта с единицы объема озонатора и повышении производительности получения озона примерно на два-три порядка по сравнению не только с прототипом, но и с другими известными способами.

Кроме того, способ по изобретению позволяет получить новый технический результат, заключающийся в том, что указанное увеличение выхода готового продукта не требует проведения процесса в жестком интервале высоких температур, позволяет работать в более широком диапазоне температур, чем в прототипе, а это позволяет упростить конструкцию озонатора, снизить требования к материалам и т.д.

Кроме того, возможность генерирования и/или введения атомарного кислорода в сверхзвуковой области сопла не ограничена техническими средствами выполнения. Это может быть практически любой известный источник атомарного кислорода, например, размещенная в сверхзвуковой области разрядная система, либо установленный за ее пределами лазерный источник. В качестве источника атомарного кислорода может быть также использована разрядная система, размещенная за пределами сверхзвуковой области и соединенная с ней.

Следующий новый технический результат заключается в том, что в соответствии с изобретением можно изменять величину избыточной концентрации атомарного кислорода в сверхзвуковой области известными техническими способами, что открывает широкие возможности управления процессом получения озона. Кроме того, изобретение позволяет работать с широким спектром кислородсодержащих газов и не ограничено только чистым кислородом, что существенно облегчает задачу получения озона.

Изобретение может быть реализовано, например, при использовании клиновидного или профилированного сопла, в сверхзвуковую область которого осуществляют впрыск атомарного кислорода.

Кислородсодержащий газ перед истечением в сверхзвуковую область сопла сжимают, как и в прототипе, до давления Р_о, превышающего одну атмосферу. При этом температура газа Т_о должна быть не менее температуры конденсации. Конкретные значения Р_о и Т_о выбираются в зависимости от конструкции озонаторной установки.

Исследования показали, что эффект резкого увеличения выхода озона на единицу объема озонаторной установки по сравнению с прототипом и с другими озонаторными установками достигается благодаря дополнительной генерации и/или введению именно в сверхзвуковой области атомарного кислорода. Подача атомарного кислорода в дозвуковую область приводит к нагреву газа и быстрому установлению равновесия, при котором концентрации атомарного кислорода и озона близки к нулю. По этой причине введение атомарного кислорода в дозвуковую область практически не позволяет получать необходимые количества готового продукта.

Введение атомарного кислорода в сверхзвуковую область создает крайне благоприятные условия для повышения эффективности образования озона благодаря неравновесному характеру протекания процесса. При этом атомарный кислород может быть рассеян практически по всему объему, либо он может быть образован созданием избыточной концентрации, например скачком концентрации в одном из сечений в сверхзвуковой области.

Эти положения подтверждены численным экспериментом, в котором в качестве конкретной конструкции было рассмотрено плоское сопло с высотой минимального сечения h, сверхзвуковая область имела вид клина с полууглом раскрытия Θ и длиной L, а дозвуковая область была скруглена радиусом, равным h (фиг.1). В качестве кислородсодержащего газа была выбрана смесь из кислорода О₂ и аргона Ar (93% О₂ и 7% Ar). Смесь при температуре Т_о и давлении Р_о в дозвуковой части пропускалась через сопло. В сверхзвуковой области создавали избыточную концентрацию атомарного кислорода скачком концентрации в сечении с координатой x^* < L. Под скачком понимали мгновенное изменение концентрации атомарного кислорода от значений, близких нулю, до конкретных заданных значений.

В качестве кинетической схемы рассматривались следующие химические реакции: O₂+M O+O+M O+O₂+M O₃+M O₂+O₂ O₃+O, где М любая из сталкивающихся частиц (O₂, O, O₃, Ar).

Результаты расчета сведены в таблицу. Здесь ζ_O3^I молярная доля озона в сечении с координатой L сопла, n номер численного эксперимента.

Сопоставительный анализ показал, что при прочих равных условиях (параметры кислородсодержащего газа Р_о, Т_о, параметры сопла h, Θ L) проведение процесса получения озона с введением атомарного кислорода в сверхзвуковую область даже в очень незначительных количествах порядка 0,1% (n 6) позволяет увеличить выход озона по сравнению с прототипом на несколько порядков (n 7, 8).

Распределения основных характеристик кислородсодержащего газа при истечении в клиновидном сверхзвуковом сопле более подробно можно проследить на фиг. 2 (для вариантов n 6 и 7 из таблицы). Ось х соответствует расстоянию вдоль сопла. Кривая соответствует контуру сопла в относительных единицах. Сплошные линии на фиг.2 соответствуют распределению основных характеристик газа при отсутствии скачка концентрации атомарного кислорода. По мере расширения в сопле температура газа Т падает от 1200 К до 208 К, скорость газового потока U увеличивается от нуля до 1,34 км/с. Перед истечением из сопла (х -1, Т Т_о 1200 К, Р_о 30 атм) равновесные концентрации атомарного кислорода и озона близки к нулю ζ_O ≈ 6,2 ˙ 10 ^-8 ζ_O3 ≈ 7,2 ˙ 10 ^-8 ( ζ_i молярные доли компонент). По мере движения в сопле концентрация озона O₃ незначительно увеличивается, а концентрация атомарного кислорода O падает. Если в сечении х х^* мы создаем скачок концентрации атомарного кислорода от значения ζ _O ≈10^-10% (точка А) до величины ζ _O^* 0,11% (точка В), то формируется благоприятная ситуация образования озона O₃. Молярная доля озона увеличивается от значений ≈10^-7% до величины ζ _O3^I 0,08% на выходе из сопла. Штриховые линии на фиг. 2 соответствуют распределению молярных долей ζ _O3 и ζ _O при наличии скачка концентрации атомарного кислорода. При отсутствии скачка молярная доля озона остается на уровне ≈10^-7% Численный расчет показал, что проведение процесса позволяет получить увеличение выхода озона практически в любом диапазоне температур. Нижний предел ограничен температурой конденсации кислорода, когда процесс нельзя осуществить, а верхний предел температуры может быть ограничен конкретными условиями установки.

Из приведенной таблицы видно, что для достижения главного технического результата увеличения выхода озона с единицы объема озонаторной установки, необходимо и достаточно вести процесс истечения предварительно сжатого газа при дополнительной генерации и/или введении атомарного кислорода в сверхзвуковую область.

Численные расчеты показали также, что такие параметры газа, как температура Т_о и давление Р_о не влияют на качественное изменение технического результата и могут устанавливаться в зависимости от выбираемой конструкции озонаторной установки. Этот результат очень важен, так как появляется возможность снижения этих параметров по сравнению с прототипом и возможность создания более простых и надежных установок.

Численные расчеты показали, что желаемый технический результат, заключающийся в резком (на 1-6 порядков) повышении выхода готового продукта, достигается всегда и практически не зависит от изменения конструктивных параметров сопла, режимов газа и методов ввода атомарного кислорода, но при неизменном сохранении главного условия наличия атомарного кислорода в сверхзвуковой области.

Одним из дополнительных преимуществ способа является его практическая независимость от исходного кислородсодержащего газа. Это может быть чистый кислород, смесь кислорода и инертного газа, воздух тип газа может повлиять на величину готового продукта.

Измерение концентрации образующегося в реальном эксперименте озона может осуществляться спектроскопическим способом путем зондирования текущего в сопле газа ультрафиолетовым излучением.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОЗОНА В СВЕРХЗВУКОВОМ СОПЛЕ, при котором осуществляют истечение предварительно сжатого кислородсодержащего газа в сверхзвуковую область сопла, отличающийся тем, что кислородсодержащий газ берут с температурой не ниже температуры конденсации кислорода, а при истечении указанного газа в сверхзвуковой области сопла дополнительно генерируют и/или вводят атомарный кислород.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что генерацию и/или введение атомарного кислорода осуществляют с избыточной концентрацией последнего по крайней мере в одном из сечений сверхзвуковой области сопла.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что генерацию и/или введение атомарного кислорода осуществляют скачком.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что генерацию и/или введение атомарного кислорода осуществляют стационарным скачком.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3