CH648534A5

CH648534A5 - Verfahren und einrichtung zur herstellung von ozon.

Info

Publication number: CH648534A5
Application number: CH4543/81A
Authority: CH
Inventors: Ulrich Dr Kogelschatz; Michael Dr Hirth
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1981-07-10
Filing date: 1981-07-10
Publication date: 1985-03-29
Also published as: DE3220018A1; DE3220018C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Ozon gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.

Verfahren und Vorrichtungen dieser Gattung sind beispielsweise aus der DE-OS 2 357 392, der DE-OS 2 436 914 oder der 5 US-PS 2 822 327 bekannt.

Die zunehmende Verwendung von Ozon für chemische und physikalische Zwecke hat dazu geführt, dass die auf Arbeiten von Siemens zurückgehende Ozonröhre in der jüngsten Vergangenheit in technischer und wirtschaftlicher Hinsicht entschei- io dend verbessert worden ist. So wird in der US-PS 2 811 217 vorgeschlagen, die Ozonausbeute dadurch zu erhöhen, dass bestimmte Kenngrössen des Ozonisators (Frequenz der Speisespannung, Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Materials, Amplitude der Speisespannung, Dicke der Dielektrikumsschicht is und Grösse des Entladungsspalts) bestimmte Gesetzmässigkeiten erfüllen müssen.

In anderen Publikationen werden zum gleichen Zweck spezielle Kühlmassnahmen vorgeschlagen, um die Ozonausbeute zu erhöhen, so z.B. neben der Flüssigkeitskühlung der Aussenelek- 20 trode die Innenkühlung der Hochspannungselektrode mit Gas oder Flüssigkeit in der DE-OS 2 357 392, oder die Zwischenkühlung des mit Ozon angereicherten Einsatzgases bei hintereinandergeschalteten Ozonisatoren in der DE-OS 2 436 914.

Während es bei den bekannten Verfahren und Einrichtun- 25 gen zur Herstellung von Ozon mehrheitlich darum geht, die Ozonmenge zu vergrössern, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das es ermöglicht, den Wirkungsgrad, also die Menge Ozon pro aufgewandte kWh zu erhöhen. Aufgabe der Erfindung ist es ferner, zur 31 Durchführung des Verfahrens geeignete Einrichtungen zur Erzeugung von Ozon zu schaffen.

Der Erfindung liegt dabei die Überlegung zugrunde, den Wirkungsgrad durch gezielte Beeinflussung der effektiven Reaktionstemperatur in Abhängigkeit von der Ozonkonzentration 35 eines Volumenelementes während der Passage durch den Ozonisator zu erhöhen, was erfindungsgemäss durch Verminderung der der Elektrodenoberflächeneinheit zugeführten elektrischen Leistung in Strömungsrichtung des Einsatzgases erfolgt.

Der Wirkungsgrad der Ozonerzeugung ist bei kleinen Ozon- 40 konzentrationen praktisch nicht temperaturabhängig, verschlechtert sich bei grösseren Ozonkonzentrationen jedoch drastisch mit steigender Temperatur. Ausgehend von dieser Erkenntnis wird der Prozess derart gesteuert, dass die höheren Ozonkonzentrationen bei niedrigeren Temperaturen entstehen. 45 Die effektive Reaktionstemperatur setzt sich additiv zusammen aus der mittleren Temperatur im Entladungskanal. Bekanntlich setzt sich die Entladung aus einer Vielzahl von kurzen Stromimpulsen zusammen. Die Energieeinspeisung in einem solchen Entladungskanal führt zu einer lokalen momentanen Tempera- so turüberhöhung, die hier als Kanaltemperatur bezeichnet wird. Die effektive Reaktionstemperatur lässt sich somit zum einen durch Steuerung der Leistungsaufnahme in Strömungsrichtung des Einsatzgases beeinflussen, was unmittelbare Auswirkungen auf die mittlere Gastemperatur im Entladungsspalt zeitigt, zum 55 anderen kann die Beeinflussung der effektiven Reaktionstemperatur durch Herabsetzen der Kanaltemperatur erfolgen.

Die von einem Ozonisator aufgenommen Leistung wird unabhängig von der Form der angelegten Spannung durch die Beziehung 60

P = 4f(CD + Cg) • Uz • [(Cges/Cg) • U0 - Uz]

gegeben, worin U0 = Spitzenwert der angelegten Spannung, Uz = Zündspannung des Entladungsspaltes , f = Frequenz der 65 angelegten Spannung, Cd = Dielektrikumskapazität, Cg = Kapazität des Entladungsspaltes, Cges = (1/Cd + 1/Cg)—1 bedeuten. Diese Leistungsparabel (U0, f fest) hat ihr Maximum bei

U„

2 • Uz • C„/Cg,

Für grössere U0-Werte ist dP/dUz positiv, für kleinere negativ. Da die Zündspannung mit zunehmender Ozonkonzentration zunimmt, sollte der Ozonisator in jedem Fall im Bereich

U0 < 2 • Uz

Cg/ Cges betrieben werden. Herkömmliche 50 Hz-Ozonisatoren erfüllen in dieser Hinsicht nicht die vorgenannte Bedingung, da ihr Arbeitspunkt auf dem falschen Ast der Leistungsparabel (grosses U0, zu kleine Frequenz f, d.h. dP/dUz > 0) liegt (vgl. Fig. 2). Bei ihnen steigt die zugeführte Leistung in Strömungsrichtung des Einsatzgases.

Unter Beachtung der vorstehenden Überlegungen ergeben sich für den Betrieb des Ozonisators folgende Möglichkeiten zur Wirkungsgradsteigerung:

a) Einrohr- oder Einfach-Ozonisator aa) Bei gegebenem Uz, Cd und Cg werden U0 und f derart gewählt, dass dP/dUz < 0 ist, so dass in Strömungsrichtung des Einsatzgases und damit zunehmender Ozonkonzentration die auf die Elektrodenoberflächeneinheit bezogene Leistung abnimmt.

ab) Bei festem U0, f, und Cd wird die Zündspannung Uz durch Verwendung eines konischen, sich in Strömungsrichtung des Einsatzgases erweiternden Entladungsspaltes in ebendieser Richtung erhöht, was gleichfalls zu einer Verminderung der auf die Elektrodenflächeneinheit bezogenen Leistung und damit zur Wirkungsgraderhöhung führt.

b) Zwei- oder Mehrrohrozonisatoren, also solchen, bei denen einzelne Ozonisatoren in bezug auf die Strömungsrichtung des Einsatzgases in Serie geschaltet sind, wobei Ozonisatoren derselben Gattung aus selbständigen Baueinheiten bestehen, oder Ozonisatoren unterschiedlichen Aufbaus in einem gemeinsamen Gehäuse (Kessel) untergebracht sind, wobei Ozonisatoren unterschiedlicher Gattung durchaus gemeinsame Bauteile, z.B. Aussenelektroden, aufweisen können.

ba) Bei Zwei- oder Mehrrohrozonisatoren wird (analog zur Ausführung nach der DE-OS 2 436 914) das Einsatzgas durch eine entsprechende Anzahl hintereinandergeschalteter einzelner Ozonisatoren geführt. Im Gegensatz zur genannten bekannten Anordnung erfolgt die Speisung erfindungsgemäss jedoch durch getrennte, jedem einzelnen Ozonisator zugeordnete Speiseeinrichtungen mit unterschiedlichen Ausgangsleistungen derart, dass in Strömungsrichtung des Einsatzgases gesehen entweder die Ausgangsspannung der Speiseeinrichtung und/oder die Frequenz abnimmt.

bb) Bei Zwei- oder Mehrrohrozonisatoren mit an sich gleichartigen Speiseeinrichtungen weisen die stromabwärts gelegenen Ozonisatoren eine grössere Spaltweite und damit kleinere Entladungsspaltkapazität auf als die stromaufwärts gelegenen.

bc) Kombination aus ba) und bb).

Wie bereits eingangs dargelegt, lässt sich die effektive Reaktionstemperatur auch durch Herabsetzen der Kanaltemperatur beeinflussen. Gerade im Bereich höherer Ozonkonzentrationen wirkt sich eine niedrigere Kanaltemperatur günstig auf den Wirkungsgrad aus. Aufgrund eingehender Untersuchungen wurde gefunden, dass sich die Kanaltemperatur durch Wahl eines dickeren Dielektrikums erniedrigen lässt. So lässt sich eine kontinuierliche Anpassung an die in Strömungsrichtung des Einsatzgases anwachsende Ozonkonzentration durch eine in gleicher Richtung anwachsende Dicke des Dielektrikums (in der Praxis in Längsrichtung anwachsende Dicke des die Hochspannungselektrode tragenden Glasrohrs erreichen. Eine praxisnähere Lösung besteht jedoch bei Zwei- und Mehrrohrozonisatoren darin, bei den hintereinandergeschalteten Einzelozonisatören Glasrohre unterschiedlicher Wandstärke oder unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante vorzusehen. In beiden Fällen kommen

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zwei sich gegenseitig unterstützende Effekte zum Tragen: Infolge derkleineren Dielektrikumskapazität nimmt das stromabwärts gelegene Rohr weniger Leistung auf und erreicht damit eine geringere Gastemperatur. Darüber hinaus stellt sich infolge der grösseren Glasdicke eine geringere Kanaltemperatur ein. 5 Man deponiert bei dieser Lösung bewusst mehr Leistung bei niedrigeren Ozonkonzentrationen, weil hier der Wirkungsgrad weniger empfindlich auf Temperaturerhöhung reagiert.

Das erfindungsgemässe Verfahren sowie Einrichtungen zu dessen Durchführung werden nachstehend anhand von in der I0 Zeichnung stark vereinfacht dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Röhrenozonisa-tors mit zugehöriger Energieversorgungseinrichtung, 15

Fig. 2 eine graphische Darstellung zur Verdeutlichung des funktionellen Zusammenhangs zwischen der von einem Röhrenozonisator aufgenommenen Leistung und der Zündspannung des Entladungsspaltes,

Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäs- 20 sen Einrichtung zur Herstellung von Ozon mit sich in Strömungsrichtung des Einsatzgases konisch erweiterndem Entladungsspalt unter Verwendung eines konischen Glasrohrs,

Fig. 4 eine Variante zur Anordnung gemäss Fig. 3 unter Verwendung einer in Strömungsrichtung des Einsatzgases sich 2s konisch erweiternden Aussenelektrode,

Fig. 5 eine aus zwei in Serie geschalteten Einzelozonisatoren bestehende Baueinheit mit getrennten Energieversorgungseinrichtungen,

Fig. 6 eine aus zwei in Serie geschalteten Einzelozonisatoren 30 bestehende Baueinheit mit unterschiedliche Spaltweiten aufweisenden Einzelozonisatoren,

Fig. 7 eine Ausführungsform eines Röhrenozonisators mit t in Strömungsrichtung des Einsatzgases dicker werdendem Dielektrikum, 35

Fig. 8 eine Ausführungsform mit in Serie geschalteten Röh-renozonisatoren mit unterschiedlichen Dielektrikumsdicken,

Fig. 9 ein Ausführungsbeispiel einer aus zweistufigen oder Duplex-Röhrenozonisatoren aufgebauten Einrichtung zur Erzeugung von Ozon. 40

Der schematisch in Fig. 1 dargestellte Röhrenozonisator besteht im wesentlichen aus einem Metallrohr 1 aus rostfreiem Stahl, in welches unter Beibehaltung des Entladungsspaltes 2 ein Glasrohr 3 mit einer Innenmetallisierung 4 eingesetzt ist. Die Innenmetallisierung 4, z.B. eine Aluminium- oder Silber- 45 schicht, dient als Hochspannungselektrode und ist mit dem einen Anschluss einer Energieversorgungseinrichtung 5 verbunden, während der andere Anschluss an das äussere Metallrohr 1 geführt ist und auf Erdpotential liegt. Die Strömungsrichtung des Einsatzgases (feed) ist durch Pfeile veranschaulicht. 50

Die Energieversorgungseinrichtung 5 umfasst im wesentlichen einen Stromrichter 6 mit variabler Ausgangswechselspannung und einstellbarer Frequenz sowie einen dem Stromrichter 6 nachgeschalteten Hochspannungstransformator 7. Derartige Energieversorgungseinrichtungen für Ozonisatoren sind zum 55 Stand der Technik zu zählen (vgl. z.B. US-PS 4 052 045). Anders als bei der Anspeisung bekannter Ozonisatoren, wo die Amplitude der Ausgangsspannung und deren Frequenz zur Erzielung einer möglichst grossen Ozonausbeute gesteuert oder geregelt werden, wird im vorliegenden Fall die Amplitude der 60 Ausgangsspannung des Stromrichters 5 und deren Frequenz mit Blick auf den Wirkungsgrad der Ozonerzeugung eingestellt.

Dies wird nachstehend anhand der graphischen Darstellung der Fig. 2, welche die Leistungsparabel eines Röhrenozonisators wiedergibt, näher verdeutlicht. 65

Die parallel zur Uz-Achse verlaufende Gerade p schneidet die Leistungsparabel in den Punkten I und II. Im Punkt I ist dP/dUz > 0, im Punkt II ist dP/dUz < 0. Bei Zündspannungen grösser UZo vermindert sich die aufgenommene Leistung P und damit die Leistungsdichte P/Flächeneinheit.

Zur Verdeutlichung dieses Zusammenhangs sei folgendes • Beispiel angeführt.

Betrachtet man ein Ozon-Entladungsrohr mit einem Luftspalt von 1,5 mm und einer Dielektrikumsdicke von 2,5 mm (Dielektrizitätskonstante = 5), ergeben sich folgende spezifische Kapazitäten:

Cg/F = 5,9 nF/m2, CD/F = 17,7 nF/m2

Die Zündspannung beträgt beispielsweise Zz = 5 kV.

Wird das Rohr mit einer 50 Hz-Spannung von 20 kVeff (U0 = 20-2 kV) betrieben, so ergibt sich eine Leistungsdichte von 383 W/m2. Im folgenden sind drei Arbeitspunkte mit gleicher Leistungsdichte gewählt, von denen der erste auf dem ansteigenden Ast der Leistungsparabel (dP/dUz > 0), der zweite etwa im Maximum (dP/dUz = 0), der dritte auf dem fallenden Ast (dP/dUz < 0) der Leistungsparabel liegt.

Kenngrösse

Punkt 1

Punkt 2

Punkt 3

Frequenz (Hz)

50

162

2500

Spitzenspannung (kV)

28,3

13,35

7,1

Leistungsdichte bei Uz = 5 kV (W/m2)

383

Leistungsdichte bei Uz = 5,25 kV (W/m2)

396

382

93

Zur Verdeutlichung des Einflusses der sich infolge wachsender Ozonkonzentration ändernden Zündspannung Uz ist in der vierten Zeile der Tabelle die Zu- bzw. Abnahme der Leistungsdichte in den verschiedenen Arbeitspunkten bei 5% zunehmender Zündspannung aufgeführt.

Bei den in Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispielen von Röhrenozonisatoren, welche im Aufbau im wesentlichen mit demjenigen nach Fig. 1 übereinstimmen, erweitert sich der Entladungsspalt 2 konisch in Strömungsrichtung des Einsatzgases (Sauerstoff oder sauerstoffhaltiges Gas). Im Falle der Fig. 3 wird diese konische Erweiterung durch ein konisches Glasrohr, im Falle der Fig. 4 durch Verwendung eines konischen Metallrohres 1' gebildet.

Geht man von einem herkömmlichen Röhrenozonisator mit gleichbleibender Spaltbreite mit folgenden beispielsweisen Kenngrössen

Spaltkapaziät: Cg : 12,3 nF/m2

Dielektrikumskapazität: CD : 15,4 nF/m2

Breite des Entladungsspaltes: s = 0,6 mm

Zündspannung: Uz : 3,4 kV

Spitzenspannung: U0 = 8 kV

Frequenz: f = 15 kHz

(die Kapazitäten sind dabei auf die Elektrodenflächen in m2 bezogen) aus, so ergibt sich eine Leistungsdichte von ca. 5,8 kW/m2.

Lässt man dagegen die Luftspaltweite in Strömungsrichtung des Einsatzgases von der Anfangsweite sa = 0,6 mm auf se = 0,9 mm bei einer Rohrlänge von typisch 1 m wachsen, so erhöht sich die Zündspannung Uz bei gleichzeitiger Reduktion der Spaltkapazität Cg. Beide Effekte zusammen ergeben eine Reduktion der Leistungsdichte auf den Wert 0,85 kW/m2 mit entsprechender Erniedrigung der effektiven Temperatur im Entladungsspalt 2.

Wie bereits eingangs ausgeführt, lässt sich die effektive Temperatur im Entladungsspalt 2 bei bezüglich des Einsatz

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gases in Serie geschalteten Ozonidatoren auch durch unterschiedliche Auslegung der Energieversorgungseinrichtungen 5 herabsetzen, um auf diese Weise den Gesamtwirkungsgrad der Ozonerzeugungsanlage zu erhöhen. Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind innerhalb eines gemeinsamen, die Aussenelektrode bildenden Metallrohres 1 zwei elektrisch voneinander isolierte und durch getrennte Speiseeinrichtungen 5a, 5b gespeiste Hochspannungselektroden 4a, 4b auf dem Innern eines gemeinsamen Glasrohrs 3 angeordnet. Die Ausgangsspannungen und Frequenzen der Speiseeinrichtungen sind dabei so gewählt, dass dem stromabwärts liegenden Ozonisator weniger Leistung zugeführt wird. Die Trennlinie T soll andeuten, dass die geschilderte Anspeisung auch für einzelne Ozonisatoren ausgeführt werden kann, wobei die bezüglich der Strömungsrichtung des Einsatzgases in Serie geschalteten Ozonisatoren auch räumlich distanziert angeordnet sein können, z.B. in getrennten Kesseln untergebracht sein können.

Eine Ausführungsform mit hintereinandergeschalteten Röh-renozonisatoren, die mit einer einzigen Anspeiseeinrichtung auskommt, ist in Fig. 6 beispielsweise dargestellt. Innerhalb eines gemeinsamen Metallrohres 1 sind Glasrohre 3 a, 3b unterschiedlichen Aussendurchmessers angeordnet. Auf der Einspeiseseite des Einsatzgases ergibt sich eine Spaltweite sa, die kleiner ist als die Spaltweite Sb auf der Auslassseite. Die mechanische Verbindung beider Glasrohre 3a, 3b, die gleichfalls mit Innenelektroden 4a, versehen sind, erfolgt durch ein Zwischenteil 8. Die elektrische Verbindung zwischen den beiden Innenelektroden 4a und 4b vollzieht sich durch elektrisch miteinander verbundene bürstenartige Kontaktelemente 9, 10, wie sie generell zur Kontaktierung von Innenelektroden von Röhrenozonisato-ren verwendet werden und somit bekannt sind. Infolge der in Strömungsrichtung des Einsatzgases grösseren Spaltweite se > sa in der Zone höherer Ozonkonzentration stellen sich die im Zusammenhang mit der Ausführungsform nach Fig. 3 bzw. 4 geschilderten Verhältnisse hinsichtlich Wirkungsgraderhöhung ein, wobei die Wirkungsgraderhöhung infolge der nicht kontinuierlichen Anpassung der Spaltbreite an die Ozonkonzentration weniger ausgeprägt ist, doch ist ein Aufbau entsprechend Fig. 6 technisch einfacher zu realisieren.

Auch bei einer Anordnung nach Fig. 6 besteht die Möglichkeit, die beiden links und rechts des Zwischenteils gelegenen Ozonisatorhälften als selbständige Baueinheiten auszuführen, die räumlich getrennt bezüglich des Einsatzgases in Serie geschaltet sind, oder — wie später noch im Zusammenhang mit Fig. 9 erläutert wird — zwei mit Innenelektroden versehene Glasrohre in einem gemeinsamen Metallrohr 1 anzuordnen.

Eine Anpassung der Leistungsdichte an die Ozonkonzentration ist ferner möglich durch stetiges Anwachsenlassen der Dicke des die Innenelektrode 4 tragenden Glasrohres, wie es in der Fig. 7 beispielsweise dargestellt ist. Während die Weite s des Entladungsspaltes 2 über die gesamte Länge des Röhrenozonisators konstant gehalten ist, erhöht sich die Dicke des Glasrohres 3c von einer Anfangsdicke sa zu einer Enddicke se.

Bei einem Labormuster eines Röhrenozonisators gemäss Fig. 7 mit folgenden Kenngrössen

Spaltkapazität: Cg : 12,3 nF/m2

Dielektrikumskapazität: CD = 20,8 nF/m2

Breite des Entladungsspaltes: s = 0,7 mm

Dicke des Glasrohrs am Einlass: da = 2 mm

Dicke des Glasrohrs am Auslass: de = 4 mm

Zündspannung: Uz = 3,4 kV

Spitzenspannung: U0 = 14 kV

Frequenz: f = 3 kHz

(die Kapazitäten sind auf die Elektrodenfläche in m2 bezogen) variiert die Leistungsdichte zwischen 7,3 kW/m2 am Rohranfang (Einsatzgas-Einlass) und 2,8 kW/m2 am Rohrende mit entsprechender Reduktion der mittleren Temperatur im Entladungsspalt. Diese Lösung bringt als zusätzlichen Vorteil, dass die Stärke der Einzelentladungen mit zunehmender Dielektrikumsdicke (Glasrohrdicke) abnimmt, was die Kanaltemperatur erniedrigt.

Auf dem gleichen Prinzip der Wirkungsgraderhöhung der Ozonerzeugung beruht die Ausführungsform gemäss Fig. 8, bei welcher im Grunde genommen zwei Röhrenozonisatoren mit der selben Spaltweite s, aber unterschiedlichen Glasdicken da bzw. de der die Innenelektroden 4a bzw. 4e tragenden Glasrohre 3a und 3e bezüglich des Einsatzgases in Serie geschaltet sind. Beide Glasrohre sind an der Stossstelle 11 zusammengeschmolzen. Die Innenmetallisierung überdeckt die Stossstelle und stellt die elektrische Verbindung zwischen den beiden Innenelektroden 4a und 4e her. Anstelle von Glasrohren unterschiedlicher Wandstärke können aber auch Glasrohre z.B. derselben Wandstärke jedoch unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante des Glases verwendet werden. Bei dieser Alternative soll das bezüglich der Strömungsrichtung des Einsatzgases stromabwärts gelegene Glasrohr eine kleinere Dielektrizitätskonstante aufweisen als das stromaufwärts gelegene Glasrohr. Beide Lösungen bieten einen vernünftigen Kompromiss zwischen Wirkungsgraderhöhung einerseits und technisch/wirtschaftlicher Realisierung. Glasrohre mit zylindrischer Aussenfläche und in Längsrichtung anwachsender Glasdicke sind zwar ohne weiteres herstellbar, doch dürften sie preislich über «klassischen» Glasrohren liegen, so dass ihr wirtschaftlicher Einsatz nicht zuletzt im Hinblick auf die grosse Anzahl Einzelozonisatoren einer Ozonanlage eher beschränkt sein dürfte.

Wie die nachstehende Gegenüberstellung zeigt, wird durch die erfindungsgemässe Hintereinanderschaltung von Röhrenozonisatoren mit unterschiedlichen Dielektrikumsdicken eine spürbare Erhöhung des Wirkungsgrades der Ozonerzeugung.

Ausgangspunkt für diese Gegenüberstellung sind zwei Röhrenozonisatoren gleicher aktiver Länge, gespeist mit einer Spitzenspannung U0 = 12,7 kV und Frequenz f = 3 kHz und folgenden Kenndaten für eine gewünschte Konzentration von 3 Gew.-% 03:

Kenngrösse

Rohr I

Rohr II

Spaltweite s = 0,65 mm s = 0,65 mm

Dielektrikumsdicke da = 1,9 mm de = 3,0 mm

Dielektrikumskapazität

CD = 2,7 nF

Dd = 1,7 nF

Spaltkapazität

Cg = 1,6 nF

Wird die Hintereinanderschaltung von Rohr I und Rohr II analog Fig. 8 mit 3 kHz und einer Spitzenspannung von 12,7 kV bei Kühlung der metallischen Aussenelektrode (einseitige Kühlung) gespeist, so ergeben sich folgende Daten:

Rohr I: Leistungsdichte 6,7 kW/m2

eff. Temperaturerhöhung ca. 60 K Ozonkonzentration: 2 Gew.-Vo Stündliche Ozonmenge ca. 142 g/h

Rohr II: Leistungsdichte 3,8 kW/m2

eff. Temperaturerhöhung ca. 30 K Konzentrationserhöhung auf ca. 3,1%

zusätzliche stündliche Ozonproduktion ca. 77,3 g/h.

Für die Gesamtkonfiguration, bestehend aus den zwei bezüglich des Einsatzgases in Serie geschalteten Röhrenozonisatoren, ergibt sich eine Leistungsdichte bezogen auf die Elektrodenfläche in m2 in Höhe von ca. 5 kW/m2 und eine Konzentration von 3,1 Gew.-% O3.

Die Hintereinanderschaltung von zwei Röhrenozonisatoren

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10

15

20

15

30

35

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45

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55

60

65

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mit den Kenngrössen von Rohr I und gleichfalls einseitiger Kühlung erbringt hingegen bei gleicher gewünschter Ozonkonzentration einen um 5 - 10% geringeren Wirkungsgrad.

Bei dem in Fig. 9 dargestellten Ausführungsbeispiel einer aus zweistufigen Röhrenozonisatoren aufgebauten Anlage zur Erzeugung von Ozon sind eine Vielzahl von Ozonisatoren in einem gemeinsamen Kessel 12 untergebracht. Der Kessel 12 ist durch nicht dargestellte Deckel verschlossen, durch welche das Einsatzgas zugeführt bzw. das mit Ozon angereicherte Gas abgeführt wird. Der Kessel 12 weist rohrbodenartige Trennwände 13, 14 auf, in welche Metallrohre 1 eingesteckt sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind lediglich vier dieser Rohre 1 eingezeichnet. Die Rohre sind an ihren Einspannstellen in den Trennwänden 13, 14 gegenüber dem Kesselinneren abgedichtet. Über Stutzen 15, 16 in der Kesselwand wird ein Kühlmittel, z.B. Wasser, in das Kesselinnere geleitet bzw. abgeführt, das zur Aussenkühlung der Metallrohre 1 dient.

In die Metallrohre 1 sind von beiden Seiten einseitig verschlossene und mit einer Innenmetallisierung 4 versehene Glasrohre 3f, 3g, 3h, 3i eingebracht, welche durch Distanzelemente 17 gegenüber den Metallrohren 1 distanziert sind und zwischen sich und den Metallrohrwänden ringförmige Entladungsspalte 2, 2a, 2e freilassen.

Die obere Hälfte der Fig. 9 weist entsprechend der Ausfüh-rungsform der Erfindung gemäss Fig. 8 im einlassseitigen Abschnitt (linke Hälfte des Kessels 12) Glasrohre 3f auf, deren Wanddicke kleiner ist als die Wanddicke der Glasrohre 3g im auslassseitigen Kesselabschnitt, während die Weite des Entladungsspaltes über die gesamte Kessellänge konstant ist.

Die untere Hälfte der Fig. 9 enthält bezüglich des Einsatzgases in Serie geschaltete Röhrenozonisatoren mit Glasrohren 3h, 3i unterschiedlichen Aussendurchmessers. Auf diese Weise werden einlassseitig Entladungsspalte 2a gebildet, die kleiner sind als die auslassseitigen Entladungsspalte 2e. Dieser Aufbau entspricht demgemäss einer Anordnung nach Fig. 6.

Es versteht sich, dass bei einer praktischen Ausführung einer Ozonerzeugungsanlage im Hinblick auf die optimale Dimensionierung ein Kessel nur mit einer Gattung von hintereinandergeschalteten Ozonisatoreinheiten gemäss Fig. 6 oder

Fig. 8 aufgebaut wird. Aus Vereinfachungsgründen sind in der Fig. 9 ferner Einzelheiten der Beschattung der Ozonisatoren, wie z.B. Entkopplungsinduktivitäten, Speicherkondensatoren' und dgl. fortgelassen worden.

5 Neben den im vorliegenden Zusammenhang im Vordergrund stehenden Erhöhung des Wirkungsgrades bietet die Anordnung nach Fig. 9 — sei es die eine oder die andere darin dargestellte Variante — den für die Praxis wichtigen Vorteil, dass bereits bestehende Ozonanlagen mit unter sich gleicharti-lo gen Röhrenozonisatoren allein durch Ersatz einer Hälfe der Glasrohre umgerüstet werden kann, wobei im Falle der Ausführungsform gemäss oberer Hälfte der Fig. 9 sogar auf die vorhandenen Distanzierungselemente 17 zurückgegriffen werden kann.

15 Gegenstand der vorliegenden Ausführungsbeispiele waren sogenannte Röhrenozonisatoren mit einer metallischen Aussenelektrode und einer auf dem inneren eines Glasrohres angeordneten Innenelektrode. Ohne den Bereich der erfindungsgemäs-sen Lehre zu verlassen, können folgende Abwandlungen reali-20 siert werden:

1. Ersatz des mit einer Innenmetallisierung versehenen Glasrohres durch ein mit einer dielektrischen Schicht versehenes zweites Metallrohr, wobei die dielektrische Schicht der anderen Elektrode zugewandt ist und beispielsweise eine Email- oder Eloxalschicht ist.

2. Beide Elektroden 1 und 4 sind auf ihren einander zugewandten Oberflächen mit einer dielektrischen Schicht versehen.

3. Der Entladungsspalt 2 wird durch den Ringraum zwischen zwei koaxialen Glasröhren gebildet, von denen die innere mit einer Innenmetallisierung, die äussere mit einer Aussenme-tallisierung versehen ist.

Die Erfindung beschränkt sich darüber hinaus nicht auf die in den Ausführungsbeispielen dargestellten Röhrenozonisato-35 ren. Sie lässt sich in analoger Weise auch auf sogenannte Plat-tenozonisatoren anwenden, bei denen das Einsatzgas zwischen zwei plattenförmigen Elektroden, von denen mindestens eine mit einer Schicht aus dielektrischem Material versehen ist, hindurchgeführt wird.

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5 Blätter Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung von Ozon unter Verwendung mindestens eines von einer Energieversorgungseinrichtung gespeisten Ozonisators mit mindestens zwei Elektroden und einer dazwischenliegenden Dielektrikumsschicht, die so angeordnet sind, dass zwischen ihnen ein als Entladungsspalt dienender j Zwischenraum ausgebildet ist, wobei durch den Entladungsraum ein sauerstoffhaltiges Gas geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades der Ozonerzeugung die der Elektrodenoberflächeneinheit zugeführte elektrische Leistung in Strömungsrichtung des Einsatzgases vermindert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zugeführte elektrische Leistung mit zunehmender Ozonkonzentration vermindert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgungseinrichtung des Ozonisators bezüg- | lieh Spitzenwert (Uz) und Frequenz (f) der am Ozonisator anliegenden Spannung derart bemessen ist, dass in Strömungsrichtung des Einsatzgases und damit zunehmender Ozonkonzentration die auf die Elektrodenoberflächeneinheit bezogene Leistung abnimmt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verminderung der auf die Elektrodenoberflächeneinheit bezogenen Leistung der Entladungsspalt in Strömungsrichtung des Einsatzgases grösser wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei bezüglich der Strömungsrichtung des Einsatzgases in Serie geschalteten Ozonisatoren diese von Speiseeinrichtungen mit abnehmender Ausgangsleistung gespeist werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei bezüglich der Strömungsrichtung des Einsatzgases in Serie geschalteten Ozonisatoren in Strömungsrichtung des Einsatzgases stromabwärts gelegene Ozonisatoren mit grösserer Spaltweite und somit kleinerer Entladungsspaltkapazität verwendet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herabsetzung der effektiven Reaktionstemperatur die Kanaltemperatur durch Verwendung eines Dielektrikums mit in Strömungsrichtung des Einsatzgases anwachsender Dicke vermindert wird.
8. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Elektrode als Metallrohr (1) ausgebildet ist, dass auf der Innenseite eines innerhalb dieses Metallrohres (3) aus dielektrischem Material mindestens zwei weitere Elektroden (4a, 4b) angeordnet sind, welche an getrennte Energieversorgungseinrichtungen (5a, 5b) angeschlossen sind, deren Bezugspotential das Metallrohr (1) ist, und dass die Energieversorgungseinrichtungen in Ausgangsspannung und Frequenz einstellbar sind (Fig. 5).
9. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 6, gekennzeichnet durch einen Ozonisator (2), dessen Entladungsspaltweite, einlassseitig kleiner ist als auslass-seitig.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltweite des Entladungsspaltes (2) in Strömungsrichtung des Einsatzgases kontinuierlich grösser wird.
11. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ozonisator einzelne in bezug auf die Strömungsrichtung des Einsatzgases in Serie geschaltete Abschnitte mit im jeweiligen Abschnitt gleichbleibender Spaltweite aufweist, wobei stromabwärts gelegene Ozonisatorenabschnitte eine grössere Spaltweite aufweisen als stromabwärts gelegene Ozonisatorenabschnitte.
12. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Elektrode als Metallrohr (1), die andere Elektrode (4) auf der Innenseite eines Rohres (3') aus dielektrischem Material angeordnet ist, dessen Aussendurchmesser auf der

Einlassseite des Einsatzgases grösser ist als auf der Auslassseite.
13. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einzelozonisatoren in bezug auf die Strömungsrichtung des Einsatzgases in Serie geschaltet sind und dass in der Serienschaltung stromabwärts sich folgende Einzelozonisa-tor(en) anwachsende Entladungsspaltweiten aufweisen (Fig. 9, untere Hälfte).
14. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussendurchmesser des Rohres (3') in Strömungsrichtung des Einsatzgases kontinuierlich abnimmt (Fig. 3).
15. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines gemeinsamen Metallrohres (1) oder getrennten Metallrohren zwei oder mehrere Rohre (3 a, 3b) aus dielektrischem Material mit unterschiedlichen Aussendurchmes-sern angeordnet sind, deren andere Elektroden (4a, 4b) elektrisch untereinander verbunden sind, wobei in Strömungsrichtung des Einsatzgases das Rohr (3b) mit kleinerem Aussendurchmesser auf das Rohr (3a) mit grösserem Aussendurchmesser folgt (Fig. 6).
16. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das äussere Metallrohr (1') sich in Strömungsrichtung des Einsatzgases kontinuierlich erweitert oder diskrete Durchmessererweiterungen aufweist (Fig. 4).
17. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 7, gekennzeichnet durch einen Ozonisator, dessen Dielektrikumskapazität (Cd) in Strömungsrichtung des Einsatzgases kleiner wird.
18. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Dielektrikums oder dessen Dielektrizitätskonstante in Strömungsrichtung des Einsatzgases kleiner wird.
19. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Elektrode als Metallrohr (1) ausgebildet ist, die andere Elektrode (4) auf der Innenseite eines Rohres (3c) aus dielektrischem Material angeordnet ist, dessen Wandstärke (da) auf der Einlassseite des Einsatzgases kleiner ist als die Wandstärke (de) auf der Auslassseite, und das Rohr aus dielektrischem Material gleichen Aussendurchmesser oder einen in Strömungsrichtung des Einsatzgases abnehmenden Aussendurchmesser aufweist.
20. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einzelozonisatoren in bezug auf die Strömungsrichtung des Einsatzgases in Serie geschaltet sind und dass in der Serienschaltung stromabwärts sich folgende Ozonisatoren anwachsende Dielektrikumsdicke oder abnehmende Dielektrizitätskonstante aufweisen (Fig. 9, obere Hälfte).
21. Einrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (3c) als innen in Strömungsrichtung des Einsatzgases konisch zulaufendes Glasrohr ausgebildet ist (Fig. 7).
22. Einrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines gemeinsamen Metallrohres (1) oder getrennten Metallrohren Rohre (3a, 3e) aus dielektrischem Material mit unterschiedlicher Wandstärke (da/de) oder Dielektrizitätskonstante angeordnet sind, deren Elektroden (4a, 4e) elektrisch untereinander verbunden sind, wobei in Strömungsrichtung des Einsatzgases gesehen das Rohr (3e) mit grösserer Wandstärke (de) bzw. kleinerer Dielektrizitätskonstante dem Rohr (3a) mit kleinerer Wandstärke (da) bzw. grösserer Dielektrizitätskonstante folgt (Fig. 8).
23. Einrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Ozonisatoren innerhalb eines gemeinsamen Kessels (12) angeordnet sind und gemeinsame Aussenelek-troden (1) aufweisen.

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