DE2539715C3 - Vorrichtung zur Herstellung von Ozon - Google Patents
Vorrichtung zur Herstellung von OzonInfo
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Description
Die Lirfinduiig betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung
von Ozon, wobei I .uft oder Sauerstoff durch zwei in
einem Gehäuse sich gegenüberstehende llochspannungselektroden
hiulnrchgeleitet und durch elektrische
FvP,ladung 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 berindet sich selbst bei 2000° C 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 isi 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 Indukturiums 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 zwei
elektrische Felder, eine Hochspannung von etwa 60 000 Volt mit entsprechend hohen Anforderungen an
das Konstruktionsmaterial und schließlich muß ein Trockner für das umzusetzende gasförmige Medium
vorgeschaltet werden, da mit zunehmender Feuchte die Ozonausbeute beachtlich absinkt.
Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen, d. h., es soll eine
Vorrichtung geschaffen werden, die die Ozonausbeute noch wesentlich in bezug auf die Gesamtenergiebilanz
verbessert und bei der eine Vortrocknung und gegebenenfalls Kühlung nicht mehr erforderlich sind.
Diese Aufgabe ist mit einer Vorrichtung der eingangs
genannten Art nach der Erfindung dadurch gelöst, daß
zwischen den beiden gegenüberliegend angeordneten.
sich etwa über die ganze Rohrinnenlänge erstreckenden
Elektroden mindestens eine bipolare, elektrisch zu- und jbleitungsfreie, den Rohrinnenraum des Rohres in
Entladungskanäle teilende Elektrode angeordnet ist, die aus einer Fläche, wie Gitter, gelochtes Blech od. dgl.,
und aus darauf angeordneten, gegen die geerdete Elektrode gerichtete Entladungsspitzen gebildet ist, und
wobei die Entladungselektrode gegen die Fläche der bipolaren Elektrode gerichtet, ebenfalls mit ein sr
Vielzahl angeordneten Entladungsspitzen versehen ist.
Diese erfifiihingsgemäße Votrichtung ist nicht nur
wesentlich einfacher im Aufbau — abgesehen davon, daß sonst vorzuschaltende Kühl- und Trocknungseinrichtungen
entbehrlich werden — sie führt auch zu einer wesentlich höheren Ozonausbeute und verlangt keine
Vortrocknung der Luft
Auf Grund der erreichbaren guten Ausbeute kann daher Ozon als starkes Oxidationsmittel günstiger auf
beispielsweise folgenden Gebieten in stärkerem Umfang als bisher eingesetzt werden: Trinkwasserbehandlung,
industrielle Wasserreinigung, Luftverbesserung, Medizin, Chemie, Lebensmittellagerung usw.
Bezüglich der bisherigen Ozonerzeugung wurde festgestellt, daß sich bei einer stillen Entladung Ozon im
wesentlichen nur in dem Teil der Entladung bildet, der mit einem blau-viok Tt?n Lichtbogen leuchtet. Dieser
Lichtbogen hat aber nur eine Länge von 2-3 mm gegenüber einer Gesamtentladungsstrecke vo; beispielsweise
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 21 65 249, ist nicht mehr
erforderlich, 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 erfindungsgemäße
Vorrichtung etwa lOOOmal weniger nitrose Gase als Wechselstrom-Ozonisatoren. Die mit der
erfindungsgemäßen Vorrichtung erreichbare Ozonausbeute bzw. die Ozon-Volumen-Konzentraticn ist ca.
zweimal größer als bei bekannten Ozonisatoren und dies ohne Vortrocknung und Kühlung der zugeführten
Medien.
Da die Vorrichtung ohne Trockner und Kühler auskommt, isl 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 I.ichtbogenwr
kungsbereich passieren zu können, el. h.. der sonst
unvermeidlich teilweise Zerfall der O/onmolekule wird
offenbar reduziert, so daß in diesem Hereich 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
Fig. 1 teilweise im Schnitt und in Ansicht eine einfache Ausführungsform der Vorrichtung,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch das Rohr der Vorrichtung gemäß Fig. 1.
Fig. 3 einen Schnitt durch das Rohr ähnlich dem gemäß F i g. 1 in anderer Ausführungsform,
Fig.4 eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung
mit konzentrischer Anordnung der Entladungskanäle,
F i g. 5 im Schnitt eine weitere mögliche Ausführungsform des Rohres,
Fig. 6 im Schnitt die Anordnung mehrerer EmIadungs- bzw. Erzeugerrohre in einem gemeinsamen
Gehäuse,
Fig. 7 in perspektivischer Darstellung eine besondere
Ausführungsform der bipolaren Elektroden und
Fig. 8 ein Diagramm mit der Ozonausbeule pro
KWh über der Taupunktstemperatur der zugeführten Medien.
In den Figuren sind bezeichnet mit t 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 F i g. 3 können auch mehrere Elekt:oden 6 zwischengeordnet werden, wodurch sich gewissermaßen
eine Entladungskaskade ergibt.
Wie aus F i g. 2 erkennbar, ergeben sich im Entladungskanal 4 an den Spitzen S relativ lange und schmale
Lichtbogen, während im l'.ntladungskanal 5 an den
Kleklrodenspitzen 8' eine not male Entladung mit
kurzem blauvioletten Lichtbogen 22 auftritt, der nur zur normalen und bisher üblichen (Jzonausbeuie fuhrt,
wobei im angedeuteten Sfeubereich 23 der abstrahlen-
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 000VoIt 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 et wa 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 gilterförmig ausgebildet sein. Die
Leiste 9- wird bspw. punktverschweißt auf der Fläche 7 senkrecht fixiert, während aie 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 Öffnungswinke! (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.
.^ohrquerschnitte im Sinne der F i g. 5 sind auch ohne
weiteres anwendbar, ebenso wie eine Trapezform (gestrichelt in F i g. 5 angedeutet). Am Bau- und
Funktionsprinzip ändert sich dabei nichts.
Gemäß F i g. 6 können mehrere Einzelrohre oder gebündelte Anordnungen im Sinne der F i g. 4 in einem
Gehäuse 16 zwischen Halteelementen 17, 18 angeord-
net 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-Produktionsleistung
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
Luft. Aus dieser Kurve ist ersichtlich, daß bei einer Taupunktstemperatur von + 20°C die Ozonisatoren nur
ca. 20g O]/Kwh erzeugen. Kurven Il und 111 zeigen
demgegenüber die Ozon-Produktionsleistung der be schriebenen 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 isl 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 | |||
0,7 1 | 0,7 | 0,7 | ||||
-60 -43 | -60 | -30 | ||||
15 20 | 15 | 7 | ||||
Absol. Druck (Atm)
Luftfeuchte, Taupunkt (° C) - 60
Ozon-Vol.-Konz. (mgOs/l)
Luftfeuchte, Taupunkt (° C) - 60
Ozon-Vol.-Konz. (mgOs/l)
■'oriM.'1/iHig
l'arameler | Vcrti | kaier Tuben | Il | Ven | ikiilcr l'lattri; | Heschnebener O/imisaUj | η | Max. | ρ | [I | Ma. |
Ο/οπ | isalor | Ολη | 'lisauii | 2,8 | A.2 | ||||||
Gase | iufuhriing | ||||||||||
Lull | Lull | Lull | 140 | Sauersldl | 250 | ||||||
Min. | Max. | Min. | Max. | Mm. | Min. | ||||||
' i/r,n-Gew.-u/o ds.; | U. | 1.65 | 1,25 | 1,67 | Oh | 11,6 | ,,S | 20,ε | |||
ι .-.ismenge | |||||||||||
O3-Produktionsleistung | 56 | 62 | 49 | 55 | 80 | 150 | |||||
(g/K Wh) | |||||||||||
O3-Ausbeute in % | 4,6 | 5,2 | 4,0 | 4.6 | 6,6 | 12,5 | |||||
der Theorie | |||||||||||
licr/ii 2 Hl; | ,U Zeichnung | ||||||||||
Claims (8)
1. Vorrichtung zur Herstellung von Ozon, wobei Luft oder Sauerstoff durch ein beidseitig offenes s
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 zwisehen
den beiden, sich etwa über die ganze Rohrinnenlänge erstreckenden Elektrode;) (2, 3)
mindestens eine bipolare, elektrisch zu — und ableitungstreie, den Rohrinnenraum in Entladungskanäle (4, 5) teilende Elektrode (6) angeordnet ist,
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 (11) 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 I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in einem mit Luft- bzw.
Sauerstoff™- und Ozonabführungsanschlüssen (14,
15) versehenem Gehäuse (16), zwischen zwei Halteelementen (17,18) fixiert, mehrere Gehäuse (1) ss
angeordnet sind.
8. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch I für die elektrochemische Synthese von Ammoniak
aus Wasserstoff und Stickstoff.
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