CN115634641A - 一种高能效水电极式臭氧发生装置 - Google Patents

一种高能效水电极式臭氧发生装置 Download PDF

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苟新鑫
袁定琨
李允超
凌忠钱
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Abstract

本发明公开了一种高能效水电极式臭氧发生装置。包括高压电极、不锈钢内电极、接地电极、循环水装置、反应器和导流管；反应器的上部开设有气体进口和循环水出口，下部设有循环水入口和气体出口；导流管在反应器内部自上而下贯穿整个反应器，导流管一端的一个分支穿过反应器的顶端面连接到高压电极，另一个分支连接到反应器的气体进口，导流管的另一端连接到反应器的气体出口；反应器通过循环水入口和循环水出口与循环水装置进行连通；不锈钢内电极螺旋套装在反应器内导流管的外周，反应器的侧面设置有接地电极。本发明将传统介质阻挡放电反应器的固体接地电极换做水电极，降低了系统的能量损失，提高了利用率。

Description

一种高能效水电极式臭氧发生装置
技术领域
本发明涉及了化工领域的一种臭氧发生装置，尤其涉及一种高能效水电极式臭氧发生装置。
背景技术
臭氧作为一种强氧化剂、消杀剂，在化工、医疗、食品安全、养殖等众多领域内具有十分广泛的应用，但是由于其特殊的物理性质和化学性质，难以存储，在工业上大多采用即取即用的方式。制取臭氧的方法主要有紫外照射法、电解法、放射化学法和介质阻挡放电法；现如今在工业领域应用最广泛的就是介质阻挡放电Dielectric Barrier Discharge,简称DBD的方法制取臭氧，介质阻挡放电制取臭氧的原理是通过产生交变高压电场击穿空气或氧气分子，形成大量带电的离子和自由电子，又称等离子体。气源经分解后形成的的氧分子或氧原子和第三体的氧原子或氧分子发生碰撞从而形成臭氧分子。这种方法较之于前边的三种方法，其优势在于臭氧产量大，气源来源简单，可用干燥空气、氧气或富氧气体等，操作简便，因此工业上合成臭氧多采用介质阻挡放电法。
但是介质阻挡放电制取臭氧的最大问题在于不能能够充分利用放电过程中所释放的所有能量，大部分的能量都以热量的形式逸散，这也是造成介质阻挡放电制取高浓度臭氧而产率不足问题的重要原因。21世纪以来，为了提高密封容器中臭氧浓度和产率，使生产成本降低，在不同原料和不同气源方面都有些研究，但是在电极材料方面的研究还较少，存在较多空白，尤其是关于接地电极材料方面。
发明内容
为了解决上述问题，本发明所提供的一种高能效水电极式臭氧发生装置，解决了此前臭氧制备能耗过高而产率不足的技术问题。通过用水作为接地材料的方式，提高了反应的换热效率，降低了额外的热量损失，进而提高介质阻挡放电制取臭氧的浓度和产率。
本发明采用的技术方案是：
本装置包括高压电极、不锈钢内电极、接地电极、循环水装置、反应器和导流管；所述反应器的上部侧面间隔开设有气体进口和循环水出口，所述反应器的下部侧面间隔开设有循环水入口和气体出口，所述导流管竖直设置在反应器内部，且自上而下贯穿整个反应器，所述导流管的一端有两个分支，其中一个分支穿过反应器的顶端面连接到高压电极，另一个分支连接到反应器的气体进口，导流管的另一端连接到反应器的气体出口，使得反应气经气体进口流入反应器内的导流管后经气体出口流出；所述反应器通过自身的循环水入口和循环水出口与循环水装置进行连通，使得循环水装置中的循环水自循环水入口流入反应器后经循环水出口回流至循环水装置中；所述不锈钢内电极螺旋套装在反应器内导流管的外周，所述反应器的侧面设置有接地电极，使得电流经高压电极导入不锈钢内电极后经循环水传导至接地电极去接地。
所述高压电极通过内部导流管与不锈钢内电极电接连，且反应器内的不锈钢内电极被循环水包围。
所述气体进口向外连接有空气/氧气钢瓶；所述气体出口向外连接有臭氧分析仪用于实时监测生成臭氧的浓度大小；所述高压电极向外连接有等离子体电源。
所述高压电极采用不锈钢丝或者铜棒。
所述不锈钢内电极的放电间隙均相同，且所述不锈钢内电极的放电间隙处负载有催化剂。
所述接地电极的材料采用不锈钢丝。
所述循坏水装置通过聚四氟乙烯管分别与反应器的循环水入口和循环水出口进行连通，所述循环水装置内设置有水温调节器件，用于调节循环水的温度保持在5-40℃。
所述循环水使用的水溶液是自来水。
所述反应器的材料采用石英玻璃。
本发明的有益效果是：
本发明克服了传统介质阻挡放电制取臭氧耗能过高的缺点，通过水电极的作用，减少了部分能耗，从而使得这一情况有明显改善。
本发明解决了传统介质阻挡放电制取高浓度臭氧但产率不足的问题，能够在反应器充分运行时，保持较高的浓度和产率。
本发明能够维持反应器内部的温度，减少反应过程中因为反应时间过长引起温度过高而造成臭氧浓度受到影响的问题出现。
本发明在用空气作为反应气源的时候，相比传统介质阻挡放电反应器，水电极式的臭氧发生装置可以高效清晰的进行光谱诊断，通过理论光谱和实验光谱进行拟合，测出气体分子的振动温度，研究分子温度影响生成臭氧质量的机理；而且肉眼能够清晰地观察到放电时的兰光现象。
附图说明
图1是高能效水电极式臭氧发生装置结构示意图；
图2是计算功率使用的利萨如图；
图3是5kHz下的臭氧浓度及产率结果图；
图4是7kHz下的臭氧浓度及产率结果图。
图中所示：1-高压电极，2-气体进口，3-不锈钢内电极，4-接地电极，5-循环水入口，6-气体出口，7-循环水装置，8-循环水，9-反应器，10-导流管，11-循环水出口。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本装置包括高压电极1、不锈钢内电极3、接地电极4、循环水装置7、反应器9和导流管10；反应器9的上部侧面间隔开设有气体进口2和循环水出口11，反应器9的下部侧面间隔开设有循环水入口5和气体出口6，导流管10竖直设置在反应器9内部，且自上而下贯穿整个反应器9，导流管10的一端有两个分支，其中一个分支穿过反应器9的顶端面连接到高压电极1，另一个分支连接到反应器9的气体进口2，导流管10的另一端连接到反应器9的气体出口6，使得反应气经气体进口2流入反应器9内的导流管10后经气体出口6流出；反应器9通过自身的循环水入口5和循环水出口11与循环水装置7进行连通，使得循环水装置7中的循环水8自循环水入口5流入反应器9后经循环水出口11回流至循环水装置7中；不锈钢内电极3螺旋套装在反应器9内导流管10的外周，反应器9的侧面设置有接地电极4，使得电流经高压电极1导入不锈钢内电极3后经循环水8传导至接地电极4去接地。
其中，高压电极1通过内部导流管10与不锈钢内电极3电接连，且反应器9内的不锈钢内电极3被循环水8包围。
其中，气体进口2向外连接有空气/氧气钢瓶；气体出口6向外连接有臭氧分析仪用于实时监测生成臭氧的浓度大小；高压电极1向外连接有等离子体电源。
优选的，高压电极1采用不锈钢丝或者铜棒。
其中，不锈钢内电极3的放电间隙均相同，均为2mm，且不锈钢内电极3的放电间隙处负载有催化剂，进一步促进臭氧的生成。
其中，接地电极4的材料采用不锈钢丝，用于保证反应器9的安全连接，采用循环水8作为导电介质，相比于传统介质阻挡放电VDBD的接地方式，避免了操作过程中人与线路接触的次数，降低触电事故发生的概率。
其中，循坏水装置7通过聚四氟乙烯管分别与反应器9的循环水入口5和循环水出口11进行连通，循环水装置7内设置有水温调节器件，用于调节循环水8的温度保持在5-40℃，保证实验过程中循环水8的温度在可控范围内，更有利于研究影响生成臭氧质量的因素。
优选的，循环水8使用的水溶液是自来水，不采用去离子水的原因是，在此发明中水充当的是导电介质，而去离子水的导电性能弱于自来水。
优选的，反应器9的材料采用石英玻璃，这种透明的设计方式，可以更加方便地使用光谱诊断研究反应器内部的反应过程并进行产物分析。
实施例1
外接的气体钢瓶作为制取臭氧的气源，本发明所使用的气源是99.999％的纯氧，在气体进口2处通过外接的质量流量计来确定和控制供给气体的流速，此实例中设定的氧气流量是2L/min，待氧气进入反应器9内，开启循环水装置7，使循环水8充满整个反应器9的内部，完成以上操作后，将外部电源与反应器的高压电极相连接，调节电源的输出频率至5kHz，通过改变输入电压的大小，使反应器9的不锈钢内电极3在高压电极1的作用下开始产生放电，生成的臭氧通过反应器9的气体出口6引至外接的臭氧分析仪中，对生成的臭氧浓度实时进行检测，通过计算放电过程中的放电功率，便可得到臭氧的产率ηg/kWh,η＝60CQ/P,P为放电功率，计算放电功率的利萨如图如图2所示，单位为W；C代表生成臭氧的浓度，单位为g/Nm3；Q为气体的供给流量，单位为L/min。本发明在能量密度SIE J/L,SIE＝P/Q与产生臭氧浓度和效率结果如图3所示，随着能量密度SIE的不断增加，生成的臭氧浓度也随之变化，二者之间呈现线性关系。一般情况下，利用介质阻挡放电的方式制取臭氧的一大弊病就是臭氧浓度是以臭氧产率为代价的，本发明克服了这一缺点，在保持产生较高浓度臭氧15g/Nm3～17g/Nm3的前提下，依然能够将产率维持在250g/kWh。
实施例2
为了验证水电极臭氧发生装置在其他频率下是否依然有着良好的性能表现，选用输出频率为7kHz进行实验。结果如图4所示，在7kHz时，臭氧浓度在25g/Nm3以上时，臭氧产率依然可以维持在200g/kWh以上，充分说明了本发明的优良性能。

Claims (9)

1.一种高能效水电极式臭氧发生装置，其特征在于：包括高压电极(1)、不锈钢内电极(3)、接地电极(4)、循环水装置(7)、反应器(9)和导流管(10)；所述反应器(9)的上部侧面间隔开设有气体进口(2)和循环水出口(11)，所述反应器(9)的下部侧面间隔开设有循环水入口(5)和气体出口(6)，所述导流管(10)竖直设置在反应器(9)内部，且自上而下贯穿整个反应器(9)，所述导流管(10)的一端有两个分支，其中一个分支穿过反应器(9)的顶端面连接到高压电极(1)，另一个分支连接到反应器(9)的气体进口(2)，导流管(10)的另一端连接到反应器(9)的气体出口(6)，使得反应气经气体进口(2)流入反应器(9)内的导流管(10)后经气体出口(6)流出；所述反应器(9)通过自身的循环水入口(5)和循环水出口(11)与循环水装置(7)进行连通，使得循环水装置(7)中的循环水(8)自循环水入口(5)流入反应器(9)后经循环水出口(11)回流至循环水装置(7)中；所述不锈钢内电极(3)螺旋套装在反应器(9)内导流管(10)的外周，所述反应器(9)的侧面设置有接地电极(4)，使得电流经高压电极(1)导入不锈钢内电极(3)后经循环水(8)传导至接地电极(4)去接地。
2.根据权利要求1所述的一种高能效水电极式臭氧发生装置，其特征在于：
所述高压电极(1)通过内部导流管(10)与不锈钢内电极(3)电接连，且反应器(9)内的不锈钢内电极(3)被循环水(8)包围。
3.根据权利要求1所述的一种高能效水电极式臭氧发生装置，其特征在于：
所述气体进口(2)向外连接有空气/氧气钢瓶；所述气体出口(6)向外连接有臭氧分析仪用于实时监测生成臭氧的浓度大小；所述高压电极(1)向外连接有等离子体电源。
4.根据权利要求1所述的一种高能效水电极式臭氧发生装置，其特征在于：
所述高压电极(1)采用不锈钢丝或者铜棒。
5.根据权利要求1所述的一种高能效水电极式臭氧发生装置，其特征在于：
所述不锈钢内电极(3)的放电间隙均相同，且所述不锈钢内电极(3)的放电间隙处负载有催化剂。
6.根据权利要求1所述的一种高能效水电极式臭氧发生装置，其特征在于：
所述接地电极(4)的材料采用不锈钢丝。
7.根据权利要求1所述的一种高能效水电极式臭氧发生装置，其特征在于：
所述循坏水装置(7)通过聚四氟乙烯管分别与反应器(9)的循环水入口(5)和循环水出口(11)进行连通，所述循环水装置(7)内设置有水温调节器件，用于调节循环水(8)的温度保持在5-40℃。
8.根据权利要求1所述的一种高能效水电极式臭氧发生装置，其特征在于：
所述循环水(8)使用的水溶液是自来水。
9.根据权利要求1所述的一种高能效水电极式臭氧发生装置，其特征在于：所述反应器(9)的材料采用石英玻璃。
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