Струйный высокочастотный озонатор
Изобретение относится к области газовой электрохимии и может быть использовано в химической, машиностроительной, металлургической отраслях промышленности, медицине, сельском хозяйстве. Озонатор включает реактор, патрубок для подачи газовой кислородной смеси, выполненный в виде сверхзвукового сопла Лаваля, выходной патрубок, выполненный в виде диффузора, и дополнительный патрубок для подачи молекулярного кислорода. Реактор выполнен в виде кварцевой или керамической трубки, которая размещена соосно внутри выполненного в виде спирали внешнего высоковольтного электрода. Патрубок для подачи молекулярного кислорода размещен таким образом, чтобы струя молекулярного кислорода попадала в периферийную область зоны диссоциации. При этом коэффициент эжекции составляет 0,035-0,045. Предложенная упрощенная и уменьшенная в габаритах конструкция позволит снизить энергозатраты, стоимость озона, а также увеличить выход озона. 1 ил.
Изобретение относится к области газовой электрохимии, в частности к высокочастотным озонаторам, и может найти применение в химической, машиностроительной, металлургической отраслях промышленности, медицине, сельском хозяйстве, а также на мощных озоновых станциях (фабриках озона).
Известно устройство для химического преобразования газа в состоянии потока по патенту Великобритании № 987902 публ. 31.03.1965 г., включающее входной сверхзвуковой «носик» (патрубок), выполненный из трех частей (сходящаяся, центральная и расходящаяся), камеру пересжатия, средства для создания электрического разряда в момент прохождения потоком газа расходящейся части входного патрубка, где за счет адиабатического расширения поток газа приобретает сверхзвуковую скорость и существенно пониженные давление и температуру. Причем средствами для создания электрического разряда являются электрическая дуга или тлеющий разряд, получаемые при помощи электрода, расположенного аксиально в сверхзвуковом патрубке. Аппарат предназначен для расщепления олефинов при помощи озонолиза. Однако несмотря на то, что в нем присутствует участок образования озона, это устройство не может быть использовано как озонатор, так как количества получаемого в нем озона недостаточны для промышленного использования, в том числе и из-за применения коронного или тлеющего разряда.
Известны устройства для получения озона путем использования высокочастотного (ВЧ) разряда (например, по патенту РФ № 2046752 МПК С 01 В 13/11, по А/С № 1627506 МПК С 01 В 13/11 и др.). Однако недостатками этих устройств, так же как и остальных существующих озонаторов, является то, что на производство 1 кг озона в час приходится 25-30 кг аппаратуры (без учета систем питания) при габаритах 1,2-1,5 м3, а энергозатраты доходят до 20 кВт/час, кроме того, существенным недостатком является попадание материала электродов в озон.
Известен высокочастотный озонатор по патенту РФ № 2178383 МПК 7 С 01 В 13/11, выбранный за прототип, который включает корпус, выполненный в виде кварцевой трубки, пространственно разделенной на диссоциатор и синтезатор с пористой газопроницаемой перегородкой и устройством охлаждения, размещенной соосно внутри выполненного в виде спирали внешнего высоковольтного электрода высокочастотного генератора, содержащий входной и выходной патрубок, а также дополнительный патрубок для подачи в зону синтеза озона охлажденного газа, содержащего молекулярный кислород. Благодаря такой конструкции значительно сокращены габариты озонатора (озонатор с производительностью 1 кг/час представляет собой кварцевую трубку диаметром 25 мм и длиной 400 мм), а за счет применения безэлектродного ВЧ разряда и инертности используемых материалов в озоне отсутствуют посторонние примеси.
Однако недостатком этого озонатора является необходимость наличия устройства для поджига ВЧ разряда и наличие устройств охлаждения поступающего молекулярного кислорода и озон-кислородной смеси в синтезаторе.
Задачей заявляемого изобретения является упрощение и удешевление конструкции озонатора, уменьшение его габаритов и снижение энергозатрат, что в целом позволит снизить стоимость озона и уменьшить производственные площади на озоновых станциях, а также возможность существенно увеличить выход озона.
Поставленная задача решается за счет того, что в озонаторе, содержащем корпус, входной и выходной патрубки, дополнительный патрубок для подачи кислорода, внешний высоковольтный электрод, в отличие от прототипа входной патрубок выполнен в виде сверхзвукового сопла Лаваля, а выходной - в виде диффузора, причем дополнительный патрубок для подачи молекулярного кислорода расположен таким образом, чтобы струя молекулярного кислорода попадала в периферийную область зоны диссоциации. Отличительными признаками заявляемого технического решения являются:
- выполнение входного патрубка в виде сверхзвукового сопла Лаваля;
- выполнение выходного патрубка в виде диффузора;
- размещение дополнительного патрубка для подачи газа, содержащего молекулярный кислород, таким образом, чтобы струя молекулярного кислорода попадала в периферийную область зоны диссоциации.
Сочетание входного патрубка в виде сверхзвукового сопла Лаваля и выходного патрубка в виде диффузора приводит к снижению температуры (до 200К) и давления поступающей кислородной газовой смеси до (0,1-0,2)·105 Па в зоне диссоциации. При таком давлении ВЧ разряд зажигается в зоне диссоциации без специального устройства поджига. Такой разряд возможен благодаря разности давлений (в зоне диссоциации давление меньше, чем в струе) и разности напряжений поля (напряженность поля внутри индуктивности на периферии больше, чем в приосевой области). При температуре в ВЧ разряде ≈3000К степень диссоциации O2→O+O достигает ≈90%. Атомарный кислород с температурой ≈3000К попадает в струю (захватывается струей) молекулярного кислорода с температурой около 200К. Таким образом синтез озона О+О2→О3 осуществляется в «холодной» струе. В результате отпадает необходимость в использовании зарядного устройства (устройства поджига) и специальных устройств охлаждения.
Кроме того, указанное выше сочетание входного патрубка в виде сверхзвукового сопла Лаваля и выходного патрубка в виде диффузора создает эффект работы эжекторного вакуумного насоса, и при коэффициенте эжекции в пределах 0,035-0,045 позволяет обеспечить на выходе наиболее благоприятный температурный режим (не более 350К) для предотвращения распада образовавшегося озона. А это, в конечном итоге, позволяет получить концентрацию озона на выходе порядка 10%, что в 2-3 раза больше, чем у других озонаторов.
При таком конструктивном выполнении озонатора энергозатраты на получение 1 кг озона составят примерно 0,9 кВт /час (у существующих озонаторов они составляют 5-20 кВт час/кг О3). Такая экономичность определяется тем, что в предлагаемом озонаторе газ нагревается только в зоне диссоциации, что составляет 3-4% от всего расходуемого газа. Одновременно увеличивается выход озона и сокращаются габариты, материалоемкость и металлоемкость всего устройства. Предлагаемое устройство характеризуется чертежом.
Струйный высокочастотный озонатор содержит реактор, выполненный в виде кварцевой (либо керамической) трубки 1, соосно размещенные входной патрубок 2 в виде сверхзвукового сопла Лаваля для подачи газовой кислородной смеси, патрубок 3 для выхода озона (в виде диффузора), дополнительный патрубок 4 для подачи молекулярного кислорода, выполненный в виде спирали внешний высоковольтный электрод 5 (рабочая индуктивность) высокочастотного генератора.
Струйный высокочастотный озонатор работает следующим образом. Кислородную газовую смесь (например, обогащенный кислородом воздух) под давлением 5-6 атм и с температурой ≈300К подают в патрубок 2. Благодаря тому, что патрубок 2 выполнен в виде сверхзвукового сопла Лаваля, газ ускоряется до скорости ≈500 м/с, давление падает до выходного, равного 1 атм (105 Па), а температура смеси в струе понижается до ≈200К. За счет эффекта эжекции давление в зоне диссоциации понижается до (0,1-0,2)·105 Па. При таком давлении высокочастотный разряд зажигается без специального устройства поджига. После чего через патрубок 4 осуществляется подача молекулярного кислорода. Давление в зоне диссоциации повышается до (0,3-0,4)·105 Па (давление в зоне диссоциации регулируется подачей кислорода через патрубок 4).
При температуре в высокочастотном разряде ≈3000К степень диссоциации О2→O+O достигает ≈90%. Атомарный кислород с температурой ≈3000К попадает в струю молекулярного кислорода с температурой 200К. Таким образом синтез озона О+O2→О3 осуществляется в «холодной» струе. И в использовании специальных охлаждающих устройств уже нет необходимости. Выход озона осуществляется через диффузор 3. Поскольку заметный распад озона начинается при температуре ≈350К, для того чтобы температура смеси атомарного кислорода (Т≈3000К) и молекулярного (Т≈200К) в струе не превышала 350К, коэффициент эжекции (отношение массового расхода газа через дополнительный патрубок 4 к массовому расходу через сверхзвуковое сопло Лаваля 2) должен быть в пределах 0,035-0,045. При такой температуре распад озона будет мал, и концентрация озона на выходе составит не менее 10%, что в 2-3 раза больше, чем у традиционных озонаторов. Коэффициент эжекции регулируется давлением на выходе в сопло Лаваля 2 и в патрубок 4. При этом энергозатраты на 1 кг озона составят ≈0,9 кВт /час (у существующих озонаторов они составляют 5-20 кВт час/кг О3).
Геометрические параметры озонатора определяются заданной продуктивностью. Например, если нужна продуктивность озона 50 кг/час, то при входном давлении в сверхзвуковом сопле Лаваля, равном 5-6 атм, и температуре газа 300К, скорость струи в выходном сечении составит 500 м/сек при давлении на выходе около 1 атм (105 Па). Тогда требуемая площадь выходного сечения сопла составит примерно 36 мм2, диаметр выходного сечения сопла Dc=7 мм. Диаметр кварцевой трубки реактора составит Dр=35 мм, длина около 300 мм. Требуемая мощность W=50 кВт.
Озонатор, включающий реактор, выполненный в виде кварцевой либо керамической трубки, размещенной соосно внутри выполненного в виде спирали внешнего высоковольтного электрода высокочастотного генератора, содержащей патрубок для подачи газовой кислородной смеси, выходной патрубок, дополнительный патрубок для подачи молекулярного кислорода, отличающийся тем, что патрубок для подачи газовой кислородной смеси выполнен в виде сверхзвукового сопла Лаваля, выходной патрубок выполнен в виде диффузора, дополнительный патрубок для подачи молекулярного кислорода размещен таким образом, чтобы струя молекулярного кислорода попадала в периферийную область зоны диссоциации, а коэффициент эжекции (отношение массового расхода газа через дополнительный патрубок к массовому расходу через сверхзвуковое сопло Лаваля) составляет 0,035-0,045.
