DE2853436A1

DE2853436A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von ozon

Info

Publication number: DE2853436A1
Application number: DE19782853436
Authority: DE
Inventors: Bruno Dr Adam
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1978-11-29
Filing date: 1978-12-11
Publication date: 1980-06-12

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon, durch Einwirkung eines elektrischen Feldes auf ein durch das Feld hindurchströmendes sauerstoffhaltiges Gasgemisch.
Verfahren zur Ozonerzeugung sind von grossem praktischem Interesse, da Ozon als starkes Oxidationsmittel mit zunehmendem Bedarf eingesetzt wird, beispielsweise zur Abwasserreinigung, Luftverbesserung, Trinkwasserbehandlung, Lebensmittellagerung sowie in der Medizin und Chemie.
Aus der DE-OS 27 07 503 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon bekannt, bei der die zur Erzeugung des Ozons anfallende Wärme zum einen Teil von einer Kühlflüssigkeit abgeführt wird und zum anderen Teil von dem zu ozonisierenden Gas selbst aufgenommen wird. Das zu ozonisierende Gas wird vor der Ozonisierung durch adiabatische Expansion abgekühlt. Die Ozonerzeugung erfolgt durch stille Gasentladung.
Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens zu schaffen, bei der eine Zerstörung des Ozons weitgehend verhindert wird. Dadurch kann mit relativ geringem Leistungsbedarf eine hohe Ozonausbeute erreicht werden.
Mit dem Verfahren und der Vorrichtung nach der Erfindung wird erreicht, dass durch die schnelle Abkühlung infolge Expansion schon während der Ozonerzeugung oder unmittelbar danach eine Stabilisierung des Ozons erfolgt und die Rekombinationsreaktionen des primär erzeugten atomaren Sauerstoffs zu 02 vermindert werden. Dadurch ist es möglich, in der Zeiteinheit relativ grosse Mengen Ozon zu erzeugen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Durch die Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 2 wird erreicht, dass die stille Gasentladung stabil bleibt und in einem für die Ozonerzeugung günstigen Bereich verläuft.
Aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit gemäss Anspruch 3 ergibt sich ein erhöhter Durchsatz an Gasmenge, wodurch in der Zeiteinheit möglichst viel Ozon erzeugt werden kann.
Anspruch 4 gibt eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens nach Anspruch 1 an. Durch die weitere Ausgestaltung der Vorrichtung gemäss Anspruch 5 wird eine Abkühlung des Gases durch Expansion auch bei Strömungsgeschwindigkeiten im Unterschallbereich ermöglicht und das ozonhaltige Gas kann sofort einem Behälter zur Speicherung zugeführt werden. Bei Verwendung einer Lavaldüse nach Anspruch 6 wird eine sehr schnelle Abkühlung des Gases bei einer Strömungsgeschwindigkeit, die im Ueberschallbereich liegt, erreicht.
-Durch die Anordnung der Elektroden gemäss Anspruch 7 wird die Entladung begrenzt. Es sind nur relativ kleine Brennspannungen notwendig, da der Elektrodenabstand gering ist.
Bei parallel zur Strömungsrichtung verlaufenden Feldlinien, wie es bei einer Ausführung der Elektroden nach Anspruch 8 bzw. 9 und 10 der Fall ist, ergibt sich ein Temperaturgradient, der sich günstig auf die 0- und auch die 03-Bildung auswirkt, da die Entladung durch den Expansionsbereich hindurch erfolgt. Durch die Turbulenzerzeuger nach Anspruch 12 bzw. 13, 14 und 15 wird selbst bei relativ hohen elektrischen Feldstärken die Ausbildung eines elektrischen Lichtbogens verhindert.
Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 und 2 zeigen Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens.
Die Figuren 3, 4 und 5 stellen abgewandelte Vorrichtungen zur Erzeugung von Ozon dar.
Bei der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon sind in einem Rohr 8 vor einer Lavaldüse 9, deren Funktionsweise beispielsweise in dtv-Lexikon der Physik, Bd. 5 beschrieben ist, zwei Elektroden 4 einander gegenüberliegend angeordnet. Die Lavaldüse 9 ist aus nichtleitendem Material 7, beispielsweise Kunststoff oder Keramik, hergestellt. Die Elektroden 4 sind als Rohre oder Hohlkathoden ausgeführt. In dem Rohr 8 sind unmittelbar vor den Elektroden 4 Turbulenzerzeuger in Form verstellbarer Platten 1 vorgesehen. Das Rohr 8 ist mit dem Ausgang einer Pumpe, beispielsweise einer Zentrifugalpumpe, verbunden (nicht gezeichnet).
Im Gegensatz zu Fig. 1 sind in Fig. 2 die Elektroden 4 4-polig ausgeführt, wobei zwei Pole jeweils einander gegenüberliegen und im Wirkungsbereich der Lavaldüse 9 bzw.
hinter der Düse 9 angeordnet sind.
In Fig. 3 sind die Elektroden 4 als Spitzen ausgebildet, und paarweise einander gegenüberliegend vor bzw. hinter der Lavaldüse 9 angeordnet. Die Turbulenzerzeuger sind gewellte Platten 2 aus festem Material.
In Fig. 4 ist das Rohr 9 mit Gaszuführungskanälen versehen, die einander gegenüberliegen. Die Elektroden 4 sind 6-polig ausgeführt und paarweise einander gegenüberliegend angeordnet, wobei zwei Pole direkt vor den Gaszuführungskanälen in dem Rohr 9 befestigt sind.
Fig. 5 zeigt eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, bei der die Elektroden 4 als senkrecht zur Rohrachse verlaufende Drähte und Gitter ausgeführt sind.
Die Elektroden sind vor und nach mehreren im Querschnitt tropfenförmigen, von einander distanzierten Festkörpern angeordnet. Die Turbulenzerzeuger sind als Klötzchen 3 aus festem Material ausgebildet.
Die Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes ist folgende: Mit Hilfe einer Pumpe (nicht gezeichnet) wird ein sauerstoffhaltiges Gas gemisch mit einem Druck von ca. 10 Bar und einer Strömungsgeschwindigkeit, die einer Machschen Zahl grösser 1 entspricht, durch das Rohr 8 in Richtung auf die Turbulenzerzeuger (1-3) gepresst. Durch die Turbulenzerzeuger (1-3) werden in dem Gas Wirbel erzeugt. Das Gas strömt anschliessend durch ein elektrisches Feld 5, das eine Stärke von 2-20 V/cm Torr aufweist. Der an den Elektroden 4 angelegte Strom liegt bei 1-100 A, die Spannung im Bereich zwischen 2-100 kV. An die Elektroden 4 kann Gleichspannung, Wechselspannung oder gepulste Spannung zur Erzeugung eines entsprechenden elektrischen Feldes angelegt werden. In dem elektrischen Feld 5 erfolgt durch stille Gasentladung Spaltung eines Teils des in dem Gasgemisch enthaltenen molekularen Sauerstoffs. Der dadurch entstehende atomare Sauerstoff verbindet sich mit dem noch vorhandenen molekularen Sauerstoff zu Ozon. Nachfolgend wird das ozonhaltige Gasgemisch durch die Lavaldüse 9 geführt und dabei adiabatisch entspannt, wodurch eine Abkühlung des Gases erreicht wird. Dies bewirkt eine Stabilisierung des Ozons, da die Zerstörung des Ozons bei niedrigen Temperaturen abnimmt (Russ. J. Phys. Chem. 44 1021 (1961)). Das ozonhaltige Gasgemisch steht nach der Abkühlung sofort zur praktischen Verwendung zur Verfügung oder kann durch Adsorbtion an Silikagel gespeichert werden.
Die Abkühlung des Gases kann auch schon während des Entstehungsprozesses des Ozons in dem elektrischen Feld 4 durch entsprechende Anordnung der Lavaldüse 9 vorgenommen werden.
Bei Strömungsgeschwindigkeiten des Gases, die im Unterschallbereich liegen, ist anstelle der Lavaldüse 9 das Rohr 8 als Strömungskanal mit sich verengendem Querschnitt ausgeführt (nicht gezeichnet).
Für die Beschreibung der Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes bei Strömungsgeschwindigkeiten des Gases im Unterschallbereich gilt sinngemäss die vorstehende Beschreibung.
Mit der erfindungsgemässen Anordnung können Gasdurchflüsse erreicht werden5 die zwischen 1-80 g/s liegen. Der Wirkungsgrad der Ozonerzeugung ist ca. 10 %. Bei einem Gasdurchfluss von 80 g/s mit einem Sauerstoffgehalt von ~ 15 % können beispielsweise 1 Gew.% Ozon entsprechend ca. 2,8 kg 03 pro Stunde erzeugt werden.

Claims

P a t e n t a n a p r a c h e 1. Verfahren zur Erzeugung von Ozon durch Einwirkung eines elektrischen Feldes auf ein durch das Feld hindurchströmendes sauerstoffhaltiges Gasgemisch, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch im elektrischen Feld (5) oder unmittelbar danach durch Expansion gekühlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Einwirkung des elektrischen Feldes (5) in dem sauerstoffhaltigen Gas gemisch Turbulenzen erzeugt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das sauerstoffhaltige Gas gemisch mit einer Strömungsgeschwindigkeit durch das elektrische Feld (5) geführt wird, die einer Machschen Zahl zwischen 0,2 und 5 entspricht.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Erzeugung einer Gasströmung durch einen mit Elektroden (4) versehenen Strömungskanal vorgesehen sind und dass der Querschnitt des Strömungskanals sich im Bereich der Elektroden (5) oder in einem stromabwärts unmittelbar benachbarten Bereich verengt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Gasgeschwindigkeiten kleiner 1 Mach eine Düse vorgesehen ist und das die Düse verlassende Gasgemisch in einen Speicherraum mit im Vergleich zum Strömungskanal grösserem Volumen einströmt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Gasgeschwindigkeiten grösser oder gleich 1 Mach eine Lavaldüse (9) vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (4) in dem Strömungskanal paarweise einander gegenüberliegend angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (4) derart angeordnet sind, dass die Feldlinien des elektrischen Feldes (5) annähernd parallel zur Strömungsrichtung des Gases verlaufen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (4) als Spitzen ausgebildet sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden als Drähte und Gitter ausgebildet sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lavaldüse (9) aus nicht leitendem Material (7) besteht.
12. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung gesehen vor dem elektrischen Feld (5) wenigstens ein Turbulenzerzeuger (1-3) angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbulenzerzeuger als verstellbare Platte (1) ausgebildet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbulenzerzeuger als gewellte Platte (2) aus festem Material ausgebildet ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbulenzerzeuger ein Klötzchen (3) aus festem Material ist.