DE2539715B2

DE2539715B2 - Vorrichtung zur herstellung von ozon

Info

Publication number: DE2539715B2
Application number: DE19752539715
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Imns, Pavel, Dr, 3257 Springe
Priority date: 1975-09-06
Filing date: 1975-09-06
Publication date: 1977-11-03
Also published as: DE2539715C3; IT1065361B; FR2322826A1; NO143019C; NO143019B; BE845451A; CA1067857A; NO763033L; NL7609819A; CH594560A5; GB1511816A; ATA635176A; FI762461A; SE416463B; SE7609522L; US4062748A; DE2539715A1; FR2322826B1; JPS5248587A; AT354402B

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstelung von Ozon, wobei Luft oder Sauerstoff durch zwei in :inem Gehäuse sich gegenüberstehende Hochspaniungselektroden hindurchgeleitet und durch elektrische Entladung in Ozon umgewandelt wird, bestehend aus plattenförmigen Elektroden, zu denen im Gasdurchleitungskanal spitze Entladungselektroden gegenüberstehend angeordnet sind.

Vorrichtungen der genannten Art zur Erzeugung von Ozon sind beispielsweise nach der DT-PS 99 684 bekannt. Die Spaltung der Sauerstoffmoleküle kann durch Zufuhr thermischer Energie des Elektrons erzwungen werden. Diese Methode führt aber nur zu einer geringen Ozonausbeute, da die erhöhte Temperatur gleichzeitig den endothermen Zerfall des Ozons begünstigt. So befindet sich selbst bei 2000⁰C erst etwa ein Volumenprozent Ozon im Sauerstoffgleichgewicht, von dem beim raschen Abkühlen nur etwa >/io% übrig bleibt, weil mit fallender Temperatur der exotherme Gesamtzerfall des Ozons fortschreitet.

Es ist daher zweckmäßiger, die Sauerstoffatome bei niedriger Temperatur durch Zufuhr elektrischer, optischer oder chemischer Energie zu erzeugen und dann weiterreagieren zu lassen, da sich bei niedrigen Temperaturen das Zerfallsgleichgewicht bei Abwesenheit von Katalysatoren nur äußerst langsam einstellt, so daß das einmal gebildete Ozon als metastabile Verbindung erhalten bleibt. Die Zufuhr von elektrischer Energie kann beispielsweise im sogenannten »Siemensschen Ozonisator« erfolgen, der im Prinzip aus zwei ineinander gestellten Glasrohren besteht, deren Außenbzw. Innenwand mit Wasser gekühlt und mit den Enden eines Induktoriums leitend verbunden ist. In dem engen Ringraum zwischen den Glasrohren treten bei Anlegen der Spannung elektrische Entladungen auf, durch welche ein trockener Sauerstoff- oder Luftstrom geleitet wird. Das den Oszonisator verlassende Gemisch besteht dabei im besten Falle zu 15% aus Ozon.

Der mögliche Verwendungsbereich vom Ozon wird bisher deshalb nicht voll genutzt, weil die Kosten der Erzeugung des Ozons zu groß sind. Die heutigen Methoden zur Herstellung des Ozons benötigen zu viel teure Energie, und bei den bekannten Oszonisatoren werden nur fünf bis fünfzehn Prozent der elektrischen Energie für die Herstellung von Ozon ausgenutzt, wobei die restliche Energie in Wärme umgesetzt wird.

Die bekannteste Methode zur Erzeugung von Ozon ist bis heute die der elektrischen Entladung in Luft oder Sauerstoff. Diese Entladung erfolgt im Spalt zwischen zwei isolierten, mit Wechselstrom beaufschlagten Elektroden. In der ersten Periode sammeln sich auf der Oberfläche einer Elektrode positive und auf dem gegenüberliegenden Isolator sammeln sich negative Ionen, die sich in der zweiten Periode entladen.

Eine Verbesserung hierzu stellt ein Ozonisator nach der DT-PS 21 65 249 dar, der bereits eine wesentliche Erhöhung der Ozonausbeute gewährleistet, allerdings erfordert dieser für die Erzeugung der Korona zwe elektrische Felder, eine Hochspannung von etwt 60 000 Volt mit entsprechend hohen Anforderungen ar das Konstruktionsmaterial und schließlich muß eit Trockner für das umzusetzende gasförmige Mediun vorgeschaltet werden, da mit zunehmender Feuchte du Ozonausbeute beachtlich absinkt.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrun de, diese Nachteile zu beseitigen, d. h., es soll ein Vorrichtung geschaffen werden, die die Ozonausbeut noch wesentlich in bezug auf die Gesamtenergiebilan verbessert und bei der eine Vortrocknuiig urn gegebenenfalls Kühlung nicht mehr erforderlich sind.

Diese Aufgabe ist mit einer Vorrichtung der eingang genannten Art nach der Erfindung dadurch gelöst, da zwischen den beiden gegenüberliegend angeordnetei

■ κ twa über die ganze Rohrinnenlänge erstreckenden pi ktroden mindestens eine bipolare, elektrisch zu- und κι lunesfreie den Rohrinnenraum des Rohres in f Zdungskankle teilende Elektrode angeordnet ist, die einer Fläche, wie Gitter, gelochtes Blech od. dgl., ^aUS. _aus darauf angeordneten, gegen die geerdete Pl ktrode gerichtete Entladungsspitzen gebildet ist, und nbei die Entladungselektrode gegen die Fläche der Knolaren Elektrode gerichtet, ebenfalls mit einer velzahl angeordneten Entladungsspitzen versehen ist. , Diese erfindungsgemäße Vorrichtung ist nicht nur Psentlich einfacher im Aufbau - abgesehen davon, H β sonst vorzuschaltende Kühl- und Trocknungsein-Vhtungen entbehrlich werden - sie führt auch zu einer wesentlich höheren Ozonausbeute und verlangt keine Vortrocknung der Luft.

Auf Grund der erreichbaren guten Ausbeute kann . C - ozon als starkes Oxidationsmittel günstiger auf hpismelsweise folgenden Gebieten in stärkerem Umfane als bisher eingesetzt werden: Trinkwasserbehand-„na industrielle Wasserreinigung, Luftverbesserung, Medizin, Chemie, Lebensmittellagerung usw.

Bezüglich der bisherigen Ozonerzeugung wurde f steestellt daß sich bei einer stillen Entladung Ozon im wesentlichen nur in dem Teil der Entladung bildet, der mit einem blau-violetten Lichtbogen leuchtet. Dieser lichtbogen hat aber nur eine Länge von 2-3mm nüber _einer Gesamtentladungsstrecke von beifnielsweise 35 mm. Durch die spezielle Ausbildung der Vorrichtung wird erreicht, daß sich dieser Lichtbogen wesentlich vergrößert, nämlich auf eine Länge von etwa 12-25 mm Wie erwähnt, sind Trocknung und Kühlung nicht erforderlich. Ein Dielektrikum, wie bei der Vorrichtung nach DT-PS 2165 249, ist nicht mehr _prforderlich, und die Vorrichtung kommt mit einer Gleichstromquelle mit nur ca. 15 000 bis 30 000 Volt aus. Für den Bau der Vorrichtung - abgesehen von einem kleinen Teil (Elektroden) aus beispielsweise rostfreiem Stahl - kann die Vorrichtung aus preiswertem Material beispielsweise Hart-PVC erstellt werden.

Der absolute Druck der Gaszuführung zur Vorrichtung kann wesentlich höher sein als bei bekannten Systemen was ebenfalls vorteilhaft ist, denn trotz des möglichen höheren Druckes produziert die erf.ndungsgemäße Vorrichtung etwa 1000 mg weniger nitrose Gase als Wechselstrom-Ozonisatoren. Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreichbare Ozonausbeute bzw die Ozon-Volumen-Konzentration ist ca. zweimal größer als bei bekannten Ozonisatoren und dies ohne Vortrocknung und Kühlung der zugefuhrten

Ua die Vorrichtung ohne Trockner und Kühler auskommt, ist sie einerseits wesentlich weniger raumbeanspruchend und kann außerdem dichter am Ort des Ozonverbrauchs installiert werden.

Bezüglich der erreichbaren besseren Ozonausbeute kann nur vermutet werden, daß durch die Kammeraufteilung des Rohres, mittels der bipolaren Elektrode, um die Entladungselektrode gewissermaßen ein Druckraum entsteht, in dem die erzeugten Ionen, die nicht mehr <« direkt zur angeschlossenen Gegenelektrode gelangen können, die Flamme bzw. den Lichtbogen zusammenpressen. Der schmalere und längere Lichtbogen scheint aber den erzeugten Ozonmolekülen eine größere Chance zu geben, unbeeinträchtigt den Lichtbogenwir- t\. kungsbereich passieren zu können, d. h., der sonst unvermeidlich teilweise Zerfall der Ozonmoleküle wird offenbar reduziert, so daß in diesem Bereich eine insgesamt höhere Ozonausbeute erreichbar ist. Im oberen Teil des Vorrichtungsrohres, d. h. über der hier als bipolar bezeichneten, aber keinerlei elektrische Anschlüsse aufweisenden Elektrode, geht die Ozonerzeugung normal und wie üblich vor sich, d. h., dort findet mit der Erzeugung auch wieder ein gleichzeitiger Zerfall von erzeugten Ozonmolekülen statt. Als Bipolarelektrode wird das zwischengeschaltete und das Rohr aufteilende Element deshalb bezeichnet, weil an den Spitzen und an der anderen Fläche, die gegen die Entladungselektrode weist, unterschiedliche Ladungsverhältnisse entstehen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung, weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungsmöglichkeiten, werden nachfolgend an Hand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt schematisch

F i g. 1 teilweise im Schnitt und in Ansicht eine einfache Ausführungsform der Vorrichtung,

Fig.2 einen Längsschnitt durch das Rohr der Vorrichtung gemäß F i g. 1,

Fig.3 einen Schnitt durch das Rohr ähnlich dem gemäß F i g. 1 in anderer Ausführungsform,

F i g. 4 eine weitere Ausführungsform der Vorrich- ; tung mit konzentrischer Anordnung der Entladungskanäle,

F i g. 5 im Schnitt eine weitere mögliche Ausführungsform des Rohres,

F i g. 6 im Schnitt die Anordnung mehrerer Entladungs- bzw. Erzeugerrohre in einem gemeinsamen Gehäuse,

Fi g. 7 in perspektivischer Darstellung eine besondere Ausführungsform der bipolaren Elektroden und

F i g. 8 ein Diagramm mit der Ozonausbeute pro KWh über der Taupunktstemperatur der zugeführten Medien.

In den Figuren sind bezeichnet mit 1 das die Entladungskanäle 4, 5 enthaltende Gehäuse aus vorzugsweise Hart-PVC, mit 2 die Entladungselektrode, mit 3 die gegenüberliegend angeordnete, geerdete Gegenelektrode, mit 6 die bipolare, von elektrischen Anschlüssen freie Elektrode, mit 7 deren Fläche in Form eines Gitters, mit 8 bzw. 8' die Spitzen der Elektroden 2, 6, mit 9 die die Spitzen tragende Leiste der Elektrode 2 aus vorzugsweise Edelstahl, mit 10 die Schmalseite des Gehäuses und mit 11 dessen Breitseite. 19 ist ein geeigneter Gleichstromhochspannungsgenerator, der über Leitungen 20, 21 mit den Elektroden 2, 3 in Verbindung steht.

Aus F i g. 2 ist erkennbar, daß die Elektrodenleisten 9, 9' und die ebenfalls vorzugsweise gitterartig ausgebildete Elektrode 3 etwas kürzer gehalten sind als die Länge der durch die Elektrode 6 getrennten bzw. gebildeten Entladungskanäle 4,5. Dies ist insbesondere für den Fall vorgesehen, bei dem mehrere Rohre bzw. Gehäuse 1 zusammengebündelt angeordnet werden, damit kein Stromüberschlag im Anschlußbereich der Leitungen 20, 21 stattfinden kann.

Gemäß Fig. 3 können auch mehrere Elektroden 6 > zwischengeordnet werden, wodurch sich gewissermaßen eine Entladungskaskade ergibt.

Wie aus Fig. 2 erkennbar, ergeben sich im Entladungskanal 4 an den Spitzen 8 relativ lange und schmale Lichtbögen, während im Entladungskanal 5 an den s Elektrodcnspitzen 8' eine normale Entladung mit kurzem blauvioletten Lichtbogen 22 auftritt, der nur zur normalen und bisher üblichen Ozonausbeute führt, wobei im angedeuteten Streubereich 23 der abstrahlen-

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den Elektronen die Wahrscheinlichkeit des Zerfalls bzw. der Zerstörung der gebildeten Ozonmoleküle weitaus größer ist als im Bereich der schlanken Lichtbogenflammen 24 an den Spitzen 8. Die Luft oder der Sauerstoff treten weder besonders gekühlt noch getrocknet links in das Rohr ein und rechts wird der gebildete Ozon abgezogen bzw. ausgeblasen.

Bei ca. 20 000 Volt beginnt an den Spitzen 8 im Entladungskanal 4 die Koronaentladung, wobei. sich nach weiterer Spannungserhöhung die langen, schlanken, Lichtbogen 24 ergeben, während sich an den Spitzen 8' im Entladungskanal 5 eine stille Entladung ergibt, die zu einer etwa fünffach kleineren Ozonausbeute führt.

Die Fläche 7 der bipolaren Elektrode 6 kann aus einer Metallplatte gebildet sein, die gelocht sein kann, oder sie kann vorzugsweise gitterförmig ausgebildet sein. Die Leiste 9- wird bspw. punktverschweißt auf der Fläche 7 senkrecht fixiert, während die Leiste 9 in eine geeignet ausgebildete Nut 13 des Gehäuses eingeschoben wird. Für die Fixierung der Fläche 7 und der Elektrode 3, für die ebenfalls vorzugsweise ein Metallgitter benutzt wird, sind ebenfalls Nuten 13 an entsprechenden Stellen der Gehäusewandungen vorgesehen. Die Spitzen 8 bzw. 8' können sägezahnartig oder, wie rechts in F i g. 2 angedeutet, nadelartig ausgebildet sein.

Aus herstellungstechnischen Gründen ist es besonders vorteilhaft, wenn die Spitzen 8' einheitlich mit der Fläche 7 derart hergestellt werden, daß die Fläche 7 mit mindestens einer Flächenfaltung 26 im Sinne der F i g. 7 versehen wird, wobei im Bereich der Flächenfaltung 26 öffnungen 27 vorgesehen sind.

Vorteilhaft wird an die Elektrode 2 die Pluspolarität angelegt, was die beste Ausbeute an Ozon erbringt.

Der Abstand zwischen den Spitzen 8 bzw. 8' und der bipolaren Elektrode 6 bzw. der Elektrode 3 wird vorzugsweise auf etwa 25 mm bemessen. Der öffnungswinkel (Fig. 1) des Gehäuses mißt vorzugsweise etwa 60°.

Rohre nach den Fig. 1 -3 lassen sich ohne weiteres als Einzelrohre im Kreisverband bündeln (nicht dargestellt) oder die Entladungskanäle 4, 5 lassen sich auch im Sinne der Fig.4 konzentrisch in einem Außenrohr 24 mit radialen Zwischenwänden 12 ausbilden. Falls dabei die Elektrode 2 durch ein Metallrohr, wie dargestellt, gebildet wird, ist dieses an seinen Enden verschlossen.

Die dargestellte Dreiecksform ist zwar vorteilhaft, aber nicht unbedingt bindend. Vorrichtungsformen bzw. Rohrquerschnitte im Sinne der Fig. 5 sind auch ohne weiteres anwendbar, ebenso wie eine Trapezform (gestrichelt in Fig. 5 angedeutet). Am Bau- und Funktionsprinzip ändert sich dabei nichts.

Gemäß Fig.6 können mehrere Einzelrohre oder gebündelte Anordnungen im Sinne der F i g. 4 in einem Gehäuse 16 zwischen Halteelementen 17, 18 angeordnet werden, wobei das gasförmige Medium mit einem Gebläse 25 durch Kanal 14 eingeblasen wird. Gebildetes Ozon fließt bei Anschluß 15 ab zur Verbraucherstelle. . Fig.8 ist ein Diagramm, das die Ozon-Produktionss leistung pro Kwh abhängig von der absoluten Luftfeuchtigkeit zeigt, die definiert ist mit der Taupunktstemperatur in Grad Celsius.

Kurve I zeigt die Ozon-Produktionsleistung von bekannten Wechselstrom-Ozonisatoren bei Zufuhr von

ίο Luft. Aus dieser Kurve ist ersichtlich, daß bei einer Taupunktstemperatur von + 20° C die Ozonisatoren nur ca. 20 g Oi/Kwh erzeugen. Kurven 11 und 111 zeigen demgegenüber die Ozon-Produktionsleistung der beschriebenen Vorrichtung. Bei Taupunktstemperatur 0° C ist diese höher, wenn die Gaseinführung Luft ist. Kurve II zeigt die Leistung, wenn die Gaseinfuhr aus einem Gemisch von 90% Sauerstoff und 10% Stickstoff besteht. Alle drei Kurven machen deutlich, daß die Ozonausbeute von der Feuchtigkeit abhängig ist. Der wesentliche Vorteil der beschriebenen Vorrichtung besteht darin, daß dieser Ozonisator bei höherer Feuchtigkeit zwei- bis dreimal mehr Ozon/Kwh erzeugt als die bekannten Ozonisatoren, was bedeutet, daß die beschriebene Vorrichtung im Gegensatz zu den bekannten Systemen überhaupt keinen teuren Lufttrockner benötigt.

Die beiliegende Tabelle macht weitere Vorteile deutlich:

Zum Beispiel kann der absolute Druck des einzuführenden Gases vielfach höher sein als bei bekannten Ozonisatoren. Bei bekannten Ozonisatoren wird bei höheren Drücken nitroses Gas erzeugt, das bei der beschriebenen Vorrichtung in ca. lOOOmal geringerem Umfang produziert wird.

Zu weiteren Resultaten gehören die elektrischen Eigenschaften der Korona in den verschiedenen Kaskaden. Ein wichtiger elektrischer Parameter ist die Spannungsverteilung durch die Länge der Elektroden. Die Spannungsverteilung im Kanal 4 ist 750 V pro Millimeter Länge. Im Kanal 5 beträgt diese 400 V pro Millimeter der Länge (Abstand zwischen den Elektroden), d. h„ die untere Kaskade hat bei der Koronaentladung ca. zweimal mehr Energie als die obere Kaskade. Dadurch ist es möglich, daß die Ozon-Produktionsleistung in der unteren Kaskade mit der höheren Spannung größer ist als in der oberen, ohne daß dabei, offenbar bedingt auch durch den schlanken Lichtbogen, ein gleichzeitiger entsprechender Ozonzerfall auftritt.

Die Verwendung der beschriebenen Vorrichtung ist zwar insbesondere für die Ozongewinnung bestimmt, was aber andere Einsatzmöglichkeiten nicht ausschließt. So kann die Vorrichtung auch für andere elektrochemische Synthesen zum Einsatz kommen, beispielsweise für die Synthese des Amoniums nach der Formel: ><> '/2 N₂ + V₂ H₂ + Energie = NH₃.

Parameter	Vertikaler Tuben-	Vertikaler Platten-	Max.	Beschriebener Ozonisator	Max.	Sauerstoff	Max.
	Ozonisator	Ozonisator	1		1,8	Min.	1,8
	Gaseinführung		-43		+ 45	0,7	+ 45
	Luft	Luft	20	Luft	38	-20	55
	Min. Max.	Min.	Min.		11
Absol. Druck (Atm)	0,7 1	0,7	0,7
Luftfeuchte, Taupunkt (⁰C)	-60 -43	-60	-30
Ozon-Vol.-Konz. (mgOa/1)	15 20	15	7

rortsetzung	Vertikaler Tuben-	Max.		Platten-	Ozonisator	Max. —— '	BeschricDenei uiunu·'"¹	Max.	Sauerstoff	Max
	Ozonisator	1,65	Vertikaler		1,67		2,8	Min.	4,2
Parameter	Gaseinführung			Luft Min.	55	Luft	140	0,8	250
	Luft Min.	62	1,25		Min.		150
	1,25	5,2	49	4,6	0,6	11,6		20,5
Ozon-Gew.-% der					80		12,5
Gasmenge	56	4,0
Cb-Produktionsleistung				6,6
(g/KWh)	4,6
O3-Ausbeute in %
der Theorie

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

/1. Vorrichtung zur Herstellung von Ozon, wobei Luft oder Sauerstoff durch ein beidseitig offenes Rohr, in dem sich Hochspannungselektroden gegenüberstehen, durchgeleitet und durch elektrische Entladung in Ozon umgewandelt wird, und das Rohr aus elektrisch nicht leitendem Material ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwi- ,₀ sehen den beiden, sich etwa über die ganze Rohrinnenlänge erstreckenden Elektroden (2, 3) mindestens eine bipolare, elektrisch zu — und ableitungsfreie, den Rohriiinenraum in Entladungskanäle (4, 5) teilende Elektrode (6) angeordnet ist, ι s die aus einer Fläche, wie Gitter, Blech, gelochtes Blech od. dgl. und aus darauf angeordneten, gegen die geerdete Elektrode (3) gerichteten Entladungsspitzen (8') gebildet ist und wobei die Entladungselektrode (2), gegen die Fläche (7) der bipolaren Elektrode (6) gerichtet, ebenfalls mit einer Vielzahl von Entladungsspitzen (8) versehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr im Querschnitt keilförmig ausgebildet ist, wobei die Entladungselektrode (2) längs der Schmalseite (10) und die Fläche (7) der bipolaren Elektrode (6) parallel zueinander und parallel zur Breitseite (II) des Gehäuses (1) angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere der Gehäuse (1) im Kreisverband angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungskanäle (4, 5) konzentrisch und durch radiale Zwischenwände (12) getrennt um eine zentrale Elektrode (2') angeordnet sind, an der die Entladungsspitzen (8) in Zuordnung zu den einzelnen Entladungskanälen (4) angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach jedem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen des die Entladungskanäle (4, 5) umschließenden Rohres zur Fixierung der Elektroden (2, 3, 6) mit entsprechenden Nuten (13) versehen sind.
6. Vorrichtung nach jedem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche (7) der bipolaren Elektrode (6) zur Ausbildung der Spitzen (8') mit mindestens einer Flächenfaltung (26) versehen ist, wobei im Bereich der Flächenfaltung öffnungen (27) vorgesehen sind. so
7. Vorrichtung nach jedem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in einem mit Luft- bzw. Sauerstoffzu- und Ozonabführungsanschlüssen (14, 15) versehenem Gehäuse (16), zwischen zwei Halteelementen (17,18) fixiert, mehrere Gehäuse (1) angeordnet sind.
8. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch t für die elektrochemische Synthese von Ammoniak aus Wasserstoff und Stickstoff.

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