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Verfahren und Einrichtung zur Ozonerzeugung
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ozonerzeugung mittels
stiller elektrischer Entladungen, bei dem ein zumindest teilweise aus Sauerstoff
bestehendes Gas zwischen Elektroden, zwischen denen eine Hochspannung anliegt, hindurchgeleitet
wird und das Gas und/oder die Elektroden gekühlt werden. Die Erfindung bezieht sich
ferner auf eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Ozon wird heute in zunehmendem Masse in der chemischen Technik und
in Anlagen der Umwelttechnik verwendet. Es besteht daher ein grosses Bedürfnis nach
Verfahren und Einrichtungen zur Ozonerzeugung mit gutem Wirkungsgrad. Eine bekannte
Einrichtung zur Ozonerzeugung ist z.B. der "Siemenssche Ozonisator" (vgl. Hollemann/Wiberg
"Lehrbuch der anorganischen Chemie", Walter de Gruyter & Co., Berlin 1960, S.177).
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Dieser besteht im Prinzip aus zwei ineinandergestellten (koaxialen)
Glas rohren, deren Aussen- bzw. Innenwand mit Wasser gekühlt und mit den Klemmen
eines Hochspannungstransformators leitend verbunden sind. Im Ringraum. zwischen
den Glas rohren treten beim Anlegen einer genügend hohen Spannung (mehrere tausend
Volt) stille elektrische Entladungen auf, durch die ein trockener Sauerstoff- oder
Luftstrom geleitet wird. Das den Ozonisator verlassende Gasgemisch besteht im besten
Falle zu 15 % aus Ozon, wenn von reinem Sauerstoff ausgegangen wird.
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Derartige Ozonisatoren sind jedoch für die industrielle Erzeugung
von Ozon wenig geeignet. Im allgemeinen werden bei den heute käuflich erhältlichen
Ozonisatoren mehr als 95 S der eingebrachten elektrischen Energie in (nutzlose)
Wärme überführt, welche das System aufheizen und damit den thermischen Zerfall des
Ozons und die Rekombination zu Sauerstoff begünstigen, während nur weniger als 5
% zur eigentlichen Ozonerzeugung verbraucht werden. Es ist daher bereits vorgeschlagen
worden, flüssiges Gas als Ausgangsstoff zur Ozonerzeugung zu verwenden (DT-OS 2
347 693). Im Stand der Technik fehlen jedoch jegliche Hinweise auf nähere Einzelheiten
der dort angedeuteten Verfahren, Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie
eine zur
Durchführung des Verfahrens geeignete Einrichtung zu schaffen,
welche es ermöglichen, auf wirtschaftliche und technisch einfache Weise Ozon in
grösseren Mengen herzustellen.
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Das der Lösung dieser Aufgabe dienende Verfahren ist erfindungsgemäss
dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest teilweise aus Sauerstoff bestehende Gas
durch Verdampfen des Kühlmittels nach Durchlaufen der Kühlkanäle gewonnen wird.
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Zur Durchführung dieses Verfahrens ist erfindungsgemss eine Einrichtung
vorgesehen, die gekennzeichnet ist durch einen Behälter mit eingebauten Kühlern,
welche in einen ersten Sammelraum in der oberen Hälfte des Behälters münden, welcher
Sammelraum mit Oeffnungen für den Durchtritt des Kühlmittels in den freien Raum
des Behälters versehen ist, durch zwischen den Kühlern angeordnete, mit Elektroden,
die von einer Jfochspannungsquelle gespeist sind, versehene Rohre, die an ihrem
unteren Ende mit Oeffnungen versehen sind, die eine Verbindung zwischen dem Rohrinnern
und dem freien Raum des Behälters bewirken, und deren obere Enden über Anschlussstücke
mit einem zweiten Sammelraum in Verbindung stehen.
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Mit einer derartigen Einrichtung wird erstmals eine Anordung zur Ozonerzeugung
geschaffen, bei der im Gegensatz zun Bekannten
Reaktionsraum und
KUhlanordnung miteinander in Verbindung stehen, sich jedoch nicht gegenseitig störend
beeinflussen.
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Auf diese Weise wird der Nachteil bisheriger Ozonisatoren, der darin
besteht, dass in den Glas- oder Keramikrohren oder Platten eine schlechte Wärmeleitung
vorhanden ist und der Ozonerzeugungsbereich kaum auf niedriger Temperatur gehalten
werden kann, vermieden. Bei der vorgeschlagenen Einrichtung wird hingegen das Gas
selbst und die angrenzenden Elektrodenflächen auf niedrige Temperatur gebracht,
wobei die zusitzliche Kühlung der Elektroden von aussen mit dem Flüssiggas noch
mithilft. Eine weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Einrichtung ist darin zu
sehen, dass das Gas im Ozonerzeugungsbereich unter einen Ueberdruck, vorzugsweise
1 bis 2 atft, gesetzt werden kann, so dass eine nachträgliche Komprimierung des
die Einrichtung verlassenden Ozon-Sauerstoffgemisches enfallen kann. Dies ist insbesondere
dort vorteilhaft, wo das Gasgemisch zur Behandlung von FlUssigkeiten eingesetzt
wird, beispielsweise bei der Einleitung in Trinkwasser, Abwasser, organische Flüssigkeiten
in der chemischen Industrie etc. Weiterhin entfällt bei dem vorgeschlagenen Verfahren
die Gastrocknung, welche sonst unbedingt notwendig ist.
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Die Ozonerzeugungsanlage nach der Erfindung kann je nach Anwendungsfall
mit einer Luftverflüssigungsanlage oder mit einem
Flüssiggastank
kombiniert werden. Optimal ist die Verwendung eines Gasgemisches mit geringem Stickstoffanteil
oder einem entsprechend geringem Anteil eines anderen Inertgases, z.B. Argon, Helium,
Kohlendioxid usw., mit einer Konzentration von nicht mehr als 30 Gew.-%.
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Es hat sich im Hinblick auf eine gute Ozonausbeute und besonders für
den Ozontransport in einem Leitungssystem als vorteilhaft erwiesen, wenn die Temperatur
des den Ozonisator verlassenden Ozon-Gas-Gemisches unterhalb 200 C (Zimmertemperatur)
gehalten wird. Dies lässt sich in einfacher Weise dadurch verwirklichen, dass die
Menge des in die Kühler eingeleiteten Ausgangsstoffes - also die flüssige Luft oder
im Extremfall der flüssige Sauerstoff - in Abhängigkeit von der Temperatur am Ausgang
des Ozonisators gesteuert wird. In diesem Zusammenhang kann auch eine Mischung von
komprimierter, trockener Luft mit dem verdampften Gas im freien Raum des Behälters
erfolgen. Auch ist die Rezyklisierung des nicht verbrauchten Gases möglich.
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Zur Spannungsversorgung der Elektroden des Ozonisators ist vorteilhaft
eine Hochspannungsquelle vorgesehen, die eine annähernd rechteckförmige Hochspannung
liefert. Die Periosei; dendauer sollte kleiner als 5 mit Anstiegs- und Abfallflanken
kleiner
als 0,2 ms, bei Amplituden zwischen 10 kV und 30 kV. Es hat sich nämlich herausgestellt,
dass der Wirkungsgrad des Ozonisators mit steigender Flankensteilheit der zwischen
den Elektroden anliegenden Hochspannung steigt, da mit zunehmender Flankensteilheit
der Impulse die Homogenität der (stillen) Entladungen vergrössert wird.
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Mit steigender Frequenz wird mehr Energie in den Ozonisator gefördert
und infolgedessen die Produktionsleistung an Ozon erhöht - dies praktisch ohne Kostenerhöhung
des Ozonisators. Die erreichbaren Frequenzen liegen dabei im kHz-Bereich.
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Bei der Anordnung der Kühler innerhalb des Behälters und relativ zu
den Rohren sind prinzipiell zwei Lösungen vorgesehen: a) Zwei oder mehrere Rohrschlangen
oder hohlzylindrische Kühler sind unter Wahrung eines etwa den Rohrdurchmessern
entsprechendem Abstand konzentrisch angeordnet, und die Rohre liegen zwischen den
Kühlern.
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b) Jedes Rohr ist von einem Kühler der unter Lit.a genannten Art umgeben.
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Hinsichtlich des Kühlmittelflusses können die Kühler in Serie oder
parallel geschaltet werden.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden
Beschreibung des erfindungsgemässen Verfahrens bzw.
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eines Ausführungsbeispiels einer Einrichtung zur Durchführung desselben.
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In der Zeichnung zeigt Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ozonerzeugungsanlage,
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines Ozonisators im LEngsschnitt, Fig. 3 den in
Fig. 2 dargestellten Ozonisators im Querschnitt (Schnitt A - A gemäss Fig.2).
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Zur Erläuterung des Verfahrens zur Erzeugung von Ozon sei zunächst
das Blockschaltbild gemäss Fig.l näher betrachtet. Eine Hochspannungsquelle 1 speist
über einen Zerhacker 2 einen Ozonisator 3. Das zu behandelnde Gas bzw. Gasgemisch,
das mehrheitlich aus Sauerstoff besteht, wird in flüssiger Form aus einem Flüssiggastank
4 bzw. einer Flüssiggas anlage in den Ozonisator eingespeist. Vom Ozonisator 3 gelangt
das Ozon-Sauerstoffgemisch, das je nach Ausgangssubstanz noch mit Inertgas vermischt
ist, in ein Einleitsystem 5 und erfüllt dort die ihm zugewiesenen Aufgaben: Behandlung
von Trinkwasser, Abwasser etc. Zur besseren Ausnutzung der eingebrachten Energie
kann
über eine an sich bekannte Rezyklisierungs-Einrichtung 6,
beispielsweise eine aus der bereits genannten DT-OS 2 347 693 bekannten, dem Ozonisator
das aus dem Einleitsystem 5 entweichende Gasgemisch wieder zugeführt werden.
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An den Ozonisator ist ferner eine Einrichtung 7 zur Abgabe von getrockneter,
komprimierter Luft angeschlossen. Durch Mischung des aus dem Flüssiggastank 4 kommenden,
teilweise verdampften Flüssiggases mit trockener Luft kann auf diese Weise, insbesondere
bei Verwendung von reinem1 flüssigem Sauerstoff als Ausgangsmaterial die Stickstoffkonzentration
und/oder die Temperatur des den Ozonisator verlassenden Ozon-Gas-Gemisches eingestellt
werden.
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Zwischen Ozonisator 3 und Einleitsystem 5 sind Kontrollorgane 8 für
Temperatur, Ozon-Konzentration und/oder Durchflussmenge vorgesehen. Diese dosieren
über entsprechend ausgebildete Stellorgane 9 die in den Ozonisator einzuleitende
Ausgangssubstanz. Die Kontrollorgane 8 können darüber hinaus auch die Energiezufuhr,
insbesondere über die Zerhackerfrequenz des Hochspannung, steuern und/oder auch
die Menge der komprimierten, trockenen Luft und/oder die rezyklisierte Gasmenge.
Für die beiden letztgenannten Eingriffmöglichkeiten sind Stellorgane 9' und 9" vorgesehen.
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Ein Ausführungsbeispiel des Ozonisators 3 ist in den Figuren 2 und
3 veranschaulicht. Ein annähernd kreisrunder zylindrischer Behälter 10 mit Boden
11 und Deckel 12 ist mit einer Vielzahl von konzentrisch ineinanderliegenden, voneinander
beabstandeten Kühlern 13 versehen. Die Kühler, die als Kühlschlangen oder als Hohlzylinder
ausgebildet sein können, sind hinsichtlich des Kühlmittelflusses mittels Verbindungsleitungen
14 in Serie geschaltet. Die Ausgangssubstanz (flüssiger Sauerstoff oder ein Gemisch
aus diesem mit einem Inertgas) wird am Anschlussstutzen 15 zugeführt. Nach Durchfluss
durch die Kühler 13 tritt die Ausgangssubstanz - diese kann nunmehr bereits als
Flüssiggas-Gas-Gemisch vorliegen -am oberen Ende des letzten Kühlers in einen ersten
als Sammelring 16 ausgebildeten Sammelraum ein. Der Sammelring 16 weist auf der
Unterseite Oeffnungen 17 auf, die eine Verbindung mit dem freien Raum des Behälters
10 herstellen.
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Die Zwischenräume zwischen den ineinanderliegenden Kühlern 13 sind
nahezu vollständig mit Rohren 18 gefüllt, deren näherer Aufbau aus der linken Hälfte
der Fig.2 hervorgeht. Die Oeffnungen 17 im Sammelring 16 sind so ausgebildet, dass
das aus diesen austretende Gas-Flüssiggas-Gemisch auf die Aussenwände der Rohre
18 gerichtet ist. Zu diesem Zweck können auch besondere Leiteinrichtungen nicht
dargestellt) vorhanden sein. Ueber Anschlussstutzen 19 können zusätzliche Substanzen
in den freien Raum des Behälters 10 eingeleitet werden.
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Die Rohre 18 bestehen aus Keramik oder Glas. Ihre äussere Oberfläche
trägt eine Metallbeschichtung 20, z.B. aus Aluminium, die als (äussere) Elektrode
dient. Die Metallbeschichtungen 20 aller Elektroden liegen auf Erdpotential.
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Im Innern der Rohre 18 ist konzentrisch eine zweite (innere) Elektrode
21 angeordnet. Sie besteht aus einem gegenüber Ozon resistenten Material, z.B. Edelstahl.
Der zwischen innerer Elektrode 21 und Rohrwand verbleibende Ringspalt beträgt etwa
2 mm. Im endseitigen Abschnitt der Rohre 18 weisen diese torusförmige Erweiterungen
22 zur feldstärkemässigen Entlastung des Glas- oder Keramikmaterials auf.
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Das untere Ende der Rohre 18 ist mit Oeffnungen 24 versehen, welche
eine Verbindung zwischen dem Rohrinnern und dem freien Raum des Behälters 10 schaffen.
Durch diese Oeffnungen tritt das aus dem Sammelring 16 austretende Gemisch nach
Durchströmen des freien Raumes des Behälters in den eigentlichen Reaktionsraum,
das Rohrinnere, ein. An dieser Stelle ist praktisch alles Flüssiggas verdampft,
da es auf seinem Weg durch die Kühler 13 und den freien Raum des Behälters 10 bereits
erhebliche Wärmemengen aufgenommen hat.
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'Am oberen Ende der Rohre 18 ist Je ein Anscniussstück 25 vorgesehen.
Dieses
dient der Verbindung des Rohrinneren mit einem zweiten Sammelraum 26 im oberen Teil
des Behälters 1D, der beispielsweise die Form eines den Behälter umgebenden Torus
aufweisen kann. Ueber einen weiteren Stutzen 27 wird das im Behälter erzeugt Ozon-Gasgemisch
abgeführt.
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Die inneren Elektroden 21 sind im Raum oberhalb des ersten Sammelraumes
16 elektrisch parallel geschaltet und über eine Durchführung 28 nach aussen geführt.
Die Art und Weise der Parallelschaltung der Elektroden 21 ist derart vorgenommen,
dass zwischen diesen und der Durchführung je eine auf Ueber strom ansprechende Schmelzsicherung
29 angeordnet ist. Diese Sicherung spricht bei aussergewöhnlichen Betriebsbedingungen
im jeweiligen Rohr an, ermöglicht jedoch den weiteren Betrieb des gesamten Ozonisators
ohne Betriebsunterbruch.
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Die Wirkungsweise des Ozonisators nach Fig.2 bzw. 3 geht aus folgendem
hervor: Die von dem Flüssiggastank 4 bzw. Gasverflüssigungsanlage gelieferte Ausgangssubstanz,
welche zu einem überwiegenden Teil Sauerstoff enthält,rird über den Anschlussstutzen
15 den Kühlern 13 zugeführt, strömt durch diese in Richtung Behälterzentrum, wo
es teils als Flüssigkeit, teils als Gas in den
Sammelring 16 gelangt.
Von dort fliesst es durch Oeffnungen 17 in den freien Raum des Behälters ,tropft
bzw. strom zur Behälterboden 11 und gelangt anschliessend in die Rohre 18 Unter
dem Einfluss des zwischen den inneren Elektroden 21 und dem auf Erdpotential liegenden
äusseren Elektroden 20 anliegenden Wechselfeldes erfolgt die Bildung des Ozons aus
Sauerstoff. Der thermische Zerfall des Ozons wird dabei weitgehend durch die niedrigen
Temperaturen im Reaktionsraum verhindert.
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Wenn auch wie beim Bekannten immer noch ein grosser Teil der zugeführten
elektrischen Energie in Wärme umgesetzt wird, so gelingt es mit der vorgeschlagenen
Einrichtung doch zu einer wesentlich höheren Ozonausbeute und höherem Wirkungsgrad
zu gelangen, weil ein grosser Teil der zugeführten elektrischen Energie in Form
von Verdampfungswärme für das Flüssiggas adsorbiert wird. Das den Ozonisator verlassende
Ozon-Gasgemisch liegt auf einem Temperaturniveau, das es erlaubt, zentrale und damit
kostengünstige Ozonanlagen zu erstellen, von denen aus das Gas in wErmeisolierten
Rohren zu den Verbraucherstellen geleitet werden kann.
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Zu gleich vorteilhaften Ergebnissen gelangt man, wenn in Abwandlung
zu der ausführlich dargestellten Ausführungsform jedes Rohr 18 von einem Kühler
umgeben ist. Dies ist in Fig. 2 beispielsweise veranschaulicht. Prinzipiell ändert
sich dadurch jedoch nicht an der Funktionsweise der Einrichtung.
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L e e r s e i t e