DE2517094A1 - Vorrichtung fuer die umwandlung von sauerstoff in ozon - Google Patents

Description

Patentanwälte

Dr.-Ing. Wilhßlm Reichel
Kpl-ing. Wolfgang Mahal

6 Ficmidmi a. M. 1

Parksiraß© 13

MARTIN MARIETTA CORPORATION 8176 ReZO/r

I800 K St. N.W.,
Washington D. C, USA

Vorrichtung für die Umwandlung von Sauerstoff in Ozon

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für die Umwandlung von Sauerstoff in Ozon, bestehend aus einer Reaktionskammer mit einer Leitung für die Zufuhr von Sauerstoff in die Reaktionskammer, Einrichtungen für die Umwandlung des Sauerstoffs in flüssiges Ozon in der Reaktionskammer, die ein Auslaßteil für das Ozon aufweist. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Ozongenerator, in dem im wesentlichen der gesamte, eingeleitete gasförmige Sauerstoff reagiert, um flüssiges Ozon zu bilden.

Ozon ist eine flüchtige, blaugefärbte Flüssigkeit mit einem charakteristischen Geruch, der in etwa mit demjenigen von Chlor zu vergleichen ist, und wird im allgemeinen gebildet, wenn Sauerstoff einer elektrostatischen Entladung ausgesetzt ist. Wegen derpotentiellen Explosionsgefahr sowohl des gasförmigen als auch des flüssigen Ozons ist es wichtig, daß Vorrichtungen zur Herstellung von Ozon in einer Weise konstruiert sind, die das Risiko einer explosiven Zersetzung des Ozons möglichst klein halten.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine derartige Vorrichtung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung für die Umwandlung von Sauerstoff *in Ozon der eingangs beschriebenen Art

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dadurch gelöst, daß im Auslaßteil eine Abscheidevorrichtung für flüssiges Ozon zur Blockierung des Abflusses von nicht-reagiertem Sauerstoff durch das Auslaßteil vorgesehen ist und Explosions-Unter drückung smitt el umfaßt,- die das flüssige Ozon in Volumina kontrollierbarer Größe abscheiden, um die explosive Zersetzung des Ozons zu unterdrücken.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 - eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Ozongenerators,

Figur 2 - eine Schnittansicht längs der Linie 2-2 in Figur 1, und Figur 3 - eine schematische Schnittansicht des Ozongenerators kombiniert mit Einrichtungen für die Messung der Durchflußrate des einströmenden Sauerstoffs und für die Bestimmung des Auftretens von Rück- bzw. Staudruck im Generator.

Eine Grundausführung der Vorrichtung für die Erzeugung von Ozon wird unter Bezugnahme auf Figur 1 erläutert. Ein Ozongenerator Io umfaßt eine Reaktionskammer 12, die mit gasförmigem Sauerstoff durch eine Einlaßöffnung 14 versorgt wird und in der der Sauerstoff in Ozon umgewandelt wird.

Ein wesentliches Problem bei der Herstellung von Ozon mit Hilfe einer Koronaentladung, der der gasförmige Sauerstoff ausgesetzt wird, besteht in der Möglichkeit von Explosionen im System, die durch Verunreinigungen im verwendeten Sauerstoffgas ausgelöst werden. Insbesondere handelt es sich bei derartigen Verunreinigungen, die unerwünschte Effekte auslösen können, um Kohlenwasserstoff. Mit der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vor allem Sauerstoff der Güteklasse Null verwendet, der so genannt wird, da die Kohlenwasserstoffverunreinigung, gemessen in einem Kohlenwasserstoffanalysator vernachlässigbar ist. Selbstverständlich kann aber auch Sauerstoff aus anderen Quellen und nach anderen Produktionsmethoden hergestellt* verwendet werden, wie beispielsweise

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der nach dem in dem britischen Patent Nr. 7o3 2o9 beschriebenen Verfahren gewonnene Sauerstoff.

Wie die Figuren 1 und 2 zeigen, weist die sich in Längsrichtung erstreckende Reaktionskammer 12 einen kreisförmigen Querschnitt (Figur 2) auf und ist im wesentlichen röhrenförmig in ihrer Ausgestaltung. Die Kammer 12 wird gebildet zwischen einer rohrförmigen inneren Wand 16 aus Aluminium oder einem sonstigen vergleichbaren, nicht-katalytischem Metall und einer rohrförmigen äußeren Wand 18 aus Glas. Die äußere Glaswand 18 besitzt ein zylindrisches Auslaßteil 22. Dieses Auslaßteil 22 dient als Falle bzw. Si>öC;neider und enthält einen Flüssigkeitskörper aus Ozon. Zusätzlich enthält das Auslaßteil 22 einen Wärmeaustauscher für die Verflüchtigung des flüssigen Ozons zu gasförmigem Ozon, das von dem Generator Io durch eine Auslaßöffnung 23 und von dort zu der Verwendung ^stelle befördert wird.

In dem Ozongenerator Io nach Figur 1 findet die Umwandlung von Sauerstoff zu Ozon innerhalb des Raumes zwischen der inneren Wand 16 und der äußeren Wand 18 statt. Daher ist eine geeignete, nicht dargestellte Versorgungsquelle für gasförmigen Sauerstoff über geeignete Leitungseinrichtungen mit der Einlaßöffnung 14 verbunden, um die Reaktionskammer 12 mit Sauerstoff zu versorgen.

Des weiteren sind Einrichtungen vorgesehen, um den gasförmigen Sauerstoff, nachdem dieser in die Reaktionskammer eingespritzt wurde, einer Koronaentladung auszusetzen. Diese wird in dem Ozongenerator Io derart herbeigeführt, indem die innere Wand 16 aus Aluminium als eine Elektrode verwendet wird und die äußere Wand aus Glas mit einer Aluminiumfolie umwickelt wird, um eine äußere Elektrode 26 zu bilden.

Die innere Wand 16 besteht aus einem Aluminiumrohr, das bei einer bevorzugten Ausführungsform einen inneren Durchmesser von 2,86 cm ( 1 1/8 Zoll) und einen äußeren Durchmesser von ungefähr 3,81 cm ( 1 1/2 Zoll) besitzt. Das im wesentlichen halbkugelförmige Ende 24 der Viand 16 wird durch einen Bodenstopfen 41 abgeschlossen, der

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maschinenbearbeitet ist und unter Heliumschutzgas angeschweißt wird. Die rohrförmige innere Elektrodenwand 16 wird durch eine Sitzpassung und eine Teflonwand 21 (eingetragenes Warenzeichen) verschlossen, die mit einem Dow Corning 92-oo9 Dichtungsmittel überzogen ist.

Wie schon erwähnt, umfaßt die äußere Elektrode 26 eine um die aus sere Wand des Glasrohrs gewickelte Aluminiumfolie. Ein verzinnter Kupferdraht ist um das Aluminium gewickelt und fest verdrillt, um die Elektrode an Ort und Stelle zu halten und einen elektrischen Kontakt für die äußere Elektrode herzustellen. Beide Elektroden sind in geeigneter Weise über Kupferleitungen 25, 27 mit einem schematisch dargestellten Transformator 29, der das erforderliche Potential zwischen den Elektroden liefert, verbunden.

Die Umwandlung von gasförmigem Sauerstoff in Ozon erfordert ein hohes Spannungspotential über den Elektroden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden für die Entladung 55oo Volt benötigt. Somit muß der Transformator 29 derart ausgelegt sein, daß er eine derartige Spannung liefern kann. Für die beschriebene Ausführungsform der Erfindung wird ein Aufwärtstransformator verwendet, der eine Primärwicklung aufweist, die bei der Erregung mit einem Strom von 115 Volt, 6o Hertz, 36o Volt-Ampere eine Spannung von 12 ooo Volt über den Leitungen 25 und 27 erzeugt. Ein geeignetes Potentiometer ist vorgesehen, um die der Primärwicklung des Transformators 29 zugeführte Spannung einstellen zu können.

Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, ist die innere Elektrodenwand mit flüssigem Sauerstoff 3o gefüllt. Der flüssige Sauerstoff wirkt als ein kryogenisches Kühlmittel für die innere Elektrodenwand. Ozon kondensiert an der äußeren Oberfläche der Elektrodenwand und gelangt infolge der Schwerkraft in das Auslaßteil 22. Wie noch nachstehend erläutert wird, erfolgt bei der vorliegenden Erfindung die Bildung von Ozon in seinem flüssigen Zustand. Aus diesem Grund ist die Wahl von flüssigem Sauerstoff als Kühlmittel wünschenswert, da sein Siedepunkt hoher als der Gefrierpunkt von Ozon liegt, jedoch können auch andere Kühlmittel verwendet werden.

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Zusammen mit einer thermischen Isolationshülle 4o, die die Reaktionskammer 12 umgibt, bewirkt der flüssige Sauerstoff 3o eine kryogenische Kühlung der Reaktionskammer. Der der Koronaentladung ausgesetzte gasförmige Sauerstoff weist daher eine Temperatur auf, die erheblich unterhalb des Siedepunkts von Ozon liegt, nämlich ungefähr loo unterhalb des Siedepunkts von Ozon, wenn der Sauerstoff in Ozon umgewandelt wird. Dies resultiert in einer im wesentlichen sofortigen Umwandlung des gasförmigen Sauerstoffs in flüssiges Ozon.

Das Auslaßteil 22, das flüssiges Ozon enthält, ist mit zermahlenen Glaspartikeln 32 gefüllt, wie beispielsweise Pyrex mit 48 bis 64 U.S. Mesh. Der Boden des Kanals ist mit einem Stopfen 34 verschlossen, der aus gesintertem Glas besteht. Der Stopfen 34 dient dazu, das Bett des gemahlenen Glases innerhalb der Grenzen des Auslaßteils 22 zu halten und ermöglicht die Leitung von gasförmigem Ozon durch eine Auslaßöffnung 23 zu einem geeigneten Aufnahmebehälter. Das Glasbett erstreckt sich bevorzugt in das Innere der Reaktionskammer 12 bis zu einem Niveau oberhalb des untersten Teils des flüssigen Sauerstoffkühlmittels, wie aus Figur 1 ersichtlich ist.

Das durch den Stopfen 34 in seiner Stellung gehaltene Bett aus zermahlenem Glas-32 bildet eine Falle bzw. einen Abscheider für das flüssige Ozon, welches infolge des Schwerkraftflusses über den unteren Teil der Reaktionskammer 12 abgelagert wird, der in Berührung mit der gekühlten, jedoch elektrisch leitenden, inneren Elektrodenwand 16 steht. Das flüssige Ozon füllt umgekehrterweise das Bett und wird infolge von Kapillarwirkung an Ort und Stelle gehalten. Somit erstreckt sich ein im wesentlichen ring- oder kreisförmiger Körper aus flüssigem Ozon über den Einlaß zu dem Auslaßteil 22, um diesen gegen den Durchgang von gasförmigem Sauerstoff abzudichten. Für den Fall, daß die Sauerstoffzufuhrrate die Aufnahmefähigkeit des Generators für die Umwandlung des einströmenden Sauerstoffs in Ozon überschreitet, kann es passieren, daß das überschüssige Sauerstoffgas die flüssige Ozonabdichtung

durchsetzt.

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Die Größe der Glasteilchen ist wichtig, da bei zu kleinen Glasperlen die Tendenz auftritt, daß diese in der Falle zu dicht gepackt sind. Dies ist gleichbedeutend damit, daß die Durchflußfläche für das flüssige Ozon innerhalb der Falle reduziert wird, bzw. über- · haupt nicht mehr gegeben ist. Andererseits, wenn die Glasperlen zu groß sind, lassen sie ein zu großes Volumen an flüssigem Ozon hindurch, und es tritt eine zu schnelle Bewegung des Ozons auf. Die letztere Situation erhöht die Gefahr für eine explosive Zersetzung und Ausbreitung des Ozons und muß daher verhindert werden. Es wurde gefunden, daß ein zu großes Volumen von flüssigem Ozon dazu führt, daß dieses zur explosiven Zersetzung und Verbreitung neigt. Die richtige Wahl der Größe der Glasteilchen verhindert, daß ein zu großes Volumen vorhanden ist und ermöglicht es, den Durchfluß an flüssigem Ozon durch den Abscheider auf einer annehmbaren Rate zu halten.

Der Abscheider, für·flüssiges Ozon ist daher derart ausgelegt, um einen sehr abgestuften jedoch kontinuierlichen Schwerkraftfluß von flüssigem Ozon gegen den Boden des Abscheiders zu ermöglichen. Ein derartiger Abscheider erfüllt einen zweifachen Zweck:(1) Er blockiert das Auslaßteil des Generators gegen den Durchgang von nicht-reagiertem gasförmigem Sauerstoff und (2) er sperrt das Auslaßteil gegen Ozongas ab, das durch die Falle zurücksickert und sich mit dem gasförmigen Sauerstoff mischen könnte. Gegen den letzteren Umstand muß man sich wegen der Gefahr einer explosiven Zersetzung des Ozons sehr sorgfältig schützen.

Durch die Abdichtung des Auslaßteils 22 gegen den Durchgang von gasförmigem Sauerstoff sichert die Ozonfalle, daß die Primärspannung und die Sauerstoffzufuhrrate derart gesteuert werden können, daß im wesentlichen der gesamte, mindestens 9o%, einströmende Sauerstoff durch die Koronaentladung in Ozon umgewandelt wird. Zum anderen kommt hinzu, daß bei einem Hindurchströmen von Sauerstoffgas mit einer höheren als der zulässigen Kapazitätdurchflußrate durch das flüssige Ozonbett des Abscheiders die Wahrscheinlichkeit eines Sauerstoffrückstaudrucks von unerwünschten und möglicherweise gefährlichen Ausmaßen reduziert wird.

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Ein erheblicher Sauerstoffrückdruck innerhalb der Reaktionskammer ist aus einer Anzahl von Gründen unerwünscht. Ein wesentliches Problem besteht darin, daß der Druck unter Umständen den Glasgenerator brechen kann oder daß der Druckaufbau das Ozon zu einer explosiven Zersetzung anregen kann. Ebenso kommt hinzu, daß die Siedepunkte dazu neigen, mit steigendem Druck anzusteigen, so daß ein erhöhter Rückdruck den Siedepunkt des gasförmigen Sauerstoffs bis zu einem Punkt erhöht, bei dem ein wesentlicher Teil des einkommenden Sauerstoffs zu seiner flüssigen Form kondensiert und die Neigung besitzt, sich mit dem flüssigen Ozon in dem Abscheider zu mischen und dadurch aus dem Generator auszutreten. Deswegen ist der Ozonabscheider bevorzugt derart ausgelegt, daß er ein Hindurchströmen von Sauerstoff bei einer höheren als der üblichen Durchflußrate zuläßt.

Um die Wahrscheinlichkeit von Sauerstoffrückdrucken von unerwünschten Ausmaßen erheblich herabzusetzen, kann das System mit geeigneten, wie in Figur 3 gezeigten, herkömmlichen Durchflußmeßeinrichtungen 36 für die Bestimmung der in die Reaktionskammer 12 eingeleiteten Sauerstoffmenge und mit Manometereinrichtungen 38 für die Messung des Sauerstoffrückdrucks im Generator ausgerüstet sein. Die Anordnung kann derart eingestellt werden, daß durch die Regelung der Primärspannung und der Sauerstoffzufuhrrate zu der Reaktionskammer ein wesentlicher Prozentsatz des einströmenden Sauerstoffs in Ozon umgewandelt wird.

Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, umfaßt der Ausgang des Auslaßteils 22 einen Glashals 39, der der Umgebungstemperatur ausgesetzt ist. Darüberhinaus ist zu ersehen, daß ein wesentlicher Teil des Ozongenerators durch die thermische Isolationshülle 4o umgeben ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Isolationshülle aus Fiberglas und weist der Hals 39 einen äußeren Durchmesser von ungefähr 8 mm auf. Der Zweck des ungeschützten Halsteils 39 und der Isolationshülle besteht darin, zu verhindern, daß das flüssige Ozon in dem Glasbettabscheider verdampft und zu rasch zu dem Auslaß hinströmt, nachdem es in dem Auslaßteil 22 angekommen ist. Eine schnelle Verdampfung von flüssigem Ozon, insbesondere

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eine Ozondetonatioa ansteigen„ Die Kombination des Glasbettes, das sich über den unter seen Teil des flüssigen Sauerstoffs erstreckt,? sasammeri ir.it der Isolationsnülle und dem frei herausragenden Hals am iiuslaßende des Ausiaßteils ermöglicht die Ausbildung eines Taraperaturgradientsns über den Flüssigkeitskörper aus Oson in dem Abscheider. Diese Anordnung erlaubt es, daß das flüssige Ozon stufanweise gegen den unteren und wärmeren Teil des Glasbettes vorrückt, wo es sich zu einem Gas verflüchtigt und aus dem Boden des Generators austritt»

Wenn die Verwendungsstelle von dem Austritt 23 entfernt liegt, so wird Vorsorge dafür getragen, daß ein Glasperlenbett sich innerhalb der Leitungen erstreckt, die das Ozon von dem Austritt zu der Verwendungsstelle leiten und geeignete Isolationsmittel vorgesehen werden, falls diese benötigt werden,, um einen weichen Übergang des Ozons - in seinen gasförmigen Zustand an der Verwendungsstelle zu ermöglichen.

Somit verflüchtigt sich das flüssige Ozon in eine gasförmige Form auf gleichmäßige, kontinuierliche, kontrollierbare Weise, während gleichzeitig verhindert wird, daß der einströmende gasförmige Sauerstoff aus der Reaktionskammer entweicht. Dadurch wird ein besonders wirksames Ozonproduktionssystem geschaffen, das eine hohe Leistungsfähigkeit für die Reaktion eines wesentlichen Anteils besitzt, es handelt sich hierbei um mindestens 9o % des einkommenden Sauerstoffs, und diesen in Ozon umwandelt.

Es wurde gefunden, daß für ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ozongenerators eine Primärspannung zwischen 8o und 9o Volt besonders zufriedenstellende Ergebnisse liefert. Es ist selbstverständlich, daß andere Eingangsspannungen und Sauerstoffzufuhrraten gleichfalls zufriedenstellende Ergebnisse liefern, die dann jeweils von den Abmessungen der Reaktionskammer und des Wärmeaustauschers abhängen. Obwohl bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung Glasperlen für die Ausbildung eines Bettes benutzt werden, in dem ein Flüssigkeitskörper aus

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Ozon abgeschieden ist, ist es möglich je nach Bedarf auch den Abscheider auf andere Weise auszubilden. Insbesondere kann ein gewundenes Glasrohr mit einer oder mehreren Windungen verwendet werden, um einen Flüssigkeitskörper aus Ozon abzuscheiden und den Auslaßteil der Reaktionskammer abzudichten.

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Claims (1)

1. - Io Patentansprüche

   ΓΐΛ Vorrichtung für die Umwandlung von Sauerstoff in Ozon, bestehend aus einer Reaktionskammer mit einer Leitung für die Zufuhr von Sauerstoff in die Reaktionskammer, Einrichtungen für die Umwandlung des Sauerstoffs in flüssiges Ozon in der Reaktionskammer, die ein Auslaßteil für das Ozon aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß im Auslaßteil (22) eine Abscheidevorrichtung (32, 34) für flüssiges Ozon zur Blockierung des Abflusses von nicht-reagiertem Sauerstoff durch das Auslaßteil (22) vorgesehen ist und Explosions-Unterdrückungsmittel (32) umfaßt, die das flüssige Ozon in Volumina kontrollierbarer Größe abscheiden, um die explosive Zersetzung des Ozons zu unterdrücken.

   2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet, daß die Explosions-Unterdrückungsmittel (32) aus einer Anzahl von Glaspartikeln mit einer Maschengröße von 48 bis 64 U.S. mesh bestehen, die im Auslaßteil (22) angeordnet sind.

   3. Vorrichtung nach Anspruch 1/
   dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen für die Umwandlung von Sauerstoff in Ozon ein Paar von räumlich getrennten Hochspannungselektroden (16, 26)umfassen, zwischen denen ein Dielektrikum (18) sich befindet, und daß Mittel (3o) zum Kühlen des zwischen den Elektroden (16, 26) gebildeten gasförmigen Ozons bis zur Kondensation zu flüssigem Ozon vorgesehen sind.

   4. Vorrichtung nach jedem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidevorrichtung für flüssiges Ozon al· Wärmeaustauscher ausgebildet ist, der für eine Verdampfung des Ozons auf eine gleichmäßige, kontinuierliche und kontrollierbare Weise ausgelegt ist.

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   :: . "errieh rung nach Anspruch 3,

   d a α -;. .■_- c h g e k e η η ;: a i ζ h η e t, daß ein.-, der Elektroden (16/ 25!) zumindest einen Teil eines Behälters bildet, in den ein Flücsigkeitskorper auf krycgenischen Temperaturen gehalten ist,

   6. Vcrrichtang nach jedem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auslaßleitung das O^on aus dem Auslaßteil (22) ableitet, und daß die Explosions-Unterdrückungsmittel (32) längs der Auslaßleitung angeordnet sind.

   7. Vorrichtung nach jedem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sauerstoffquelle vorgesehen ist, die gasförmigen Sauerstoff in die Reaktionskammer (12) einleitet.

   8. Vorrichtung nach jedem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Ozon im Auslaßteil (22) durch eine Flüssigkeitszone, durch eine tibergangszone, in der das flüssige Ozon in gasförmiges Ozon sich umwandelt und durch eine gasförmige Zone hindurchbewegt, daß Einrichtungen zum Speichern eines Ozon-Flüssigkeitskörpers in der Flüssigkeitszone und in zumindest einer der Zonen Mittel vorgesehen sind, die Ozon in Volumina vorgegebener Größe zum Unterdrücken der explosiven Zersetzung von Ozon in der betreffenden Zone abscheiden,

   9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
   dadurch gekennzeichnet, daß sich die Mittel zum Abscheiden des Ozons in Volumina kontrollierbarer Größe in die gasförmige Zone hinein erstrecken.

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