DE69604400T2

DE69604400T2 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von ozon

Info

Publication number: DE69604400T2
Application number: DE69604400T
Authority: DE
Inventors: Jan Arlemark
Original assignee: Individual
Current assignee: Vatrella Uppsala Se AB
Priority date: 1995-06-28
Filing date: 1996-06-26
Publication date: 2000-05-25
Anticipated expiration: 2016-06-27
Also published as: RU2169114C2; CN1234781A; CA2224987A1; SE9502339D0; EP0835222A1; KR100416175B1; EP0835222B1; JPH11508532A; CN1163406C; DE69604400D1; AU6323896A; PL324110A1; BR9609382A; AU708855B2; WO1997001507A1; PL184051B1; ATE184861T1; KR19990028411A; US5950065A; ES2140873T3

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen von Ozon, indem Sauerstoff über ein Dielektrikum einem hochfrequenten Wechselstrom hoher Spannung ausgesetzt wird.

Hintergrund der Erfindung

Ozongas wird in zunehmendem Maß in zahlreichen industriellen Anwendungen eingesetzt, nicht im geringsten Maß bei der Abwasseraufbereitung, bei der es beispielsweise
komplexe organische Moleküle,
Zyanide und Phenole aus chemischem Abfall,
Abfall aus Papierherstellungsanlagen und Farbstoffmühlen,
Oberflächenbehandlungsmittel und Detergentien aus Spülprozessen,
Gerüche aus Kläranlagen
zerstören oder beseitigen kann.
In einem Abschlußschritt mit Ozon behandeltes Abwasser kann ohne weiteres zum Waschen, zur Bewässerung oder zur Feuerbekämpfung eingesetzt werden.
Ozon dient außerdem zur Vorbehandlung von Trinkwasser, wodurch dessen Qualität beträchtlich gesteigert wird.
Nicht zuletzt gilt Ozon als die einzige akzeptierbare Alternative zu Chlor beim Bleichen von Pulpe in der Papierherstellungsindustrie.
Die Nachfrage nach Ozon ist folglich sehr hoch und nimmt ständig zu.
Es ist bekannt, daß Ozon durch sogenannte dunkle oder kalte elektrische Entladungen in Sauerstoffgas oder sauerstoffreichen Gasgemischen erzeugt wird. Derzeit bekannte Geräte zum Erzeugen von Ozon in zufriedenstellenden Mengen und Konzentrationen für industrielle Anwendungen sind allerdings äußerst voluminös und schwierig sowie teuer zu warten.
Bekannte Sauerstoffgeneratoren werden häufig in Form großer, hermetisch verschlossener Metallbehälter aufgebaut, was sie empfindlich für Feuchtigkeit macht, sowohl extern als auch in dem zugeführten Gas, aus dem das Ozon erzeugt wird. Bereits bei geringen Feuchtigkeitsgehalten kann es zu Leckströmen mit entsprechenden Risiken für elektrische Kurzschlüsse kommen, die zu der Zerstörung der betreffenden Generatoreinheit führen.
Die CH-A-609 309 zeigt eine Ozongenerator-Konstruktion, die aus zwei Wänden aus dielektrischem Werkstoff bestehen, die geerdet und gekühlt sind, wobei der Raum zwischen den Wänden teilweise mit einer massiven Flächenelektrode ausgefüllt ist.
Die Ziele der Erfindung bestehen in der Steigerung der Ausbeute beim Ozonherstellungsverfahren, in der Abnahme der baulichen Abmessungen der Vorrichtung, in der Verringerung der Feuchtigkeitsempfindlichkeit und der Minimierung der Stillstandzeiten bei Wartungsarbeiten.

Die Erfindung

Diese Ziele werden erfindungsgemäß erreicht durch eine Vorrichtung zum Herstellen von Ozon, bei der Ozongas in einen schmalen Raum zwischen zwei Wänden aus einem Material geleitet wird, welches das Dielektrikum bildet, und der hochfrequente Wechselstrom hoher Spannung an eine in dem Raum befindliche Flächenelektrode gelegt wird, wobei die abgewandte Seite der jeweiligen Wand elektrisch geerdet und gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode in der Form von Fäden oder eines Netzes ausgebildet ist und im wesentlichen die gleiche Länge, Breite und Dicke besitzt wie der Raum für das Sauerstoffgas, und daß der abgedichtete Ozongenerator nur die Wände, die Elektrode und den Rahmen um die Elektrode aufweist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 6 angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird im folgenden in größerer Einzelheit unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Grundaufbaus einer Einheit in einem Ozongenerator gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 eine Draufsicht auf ein Elektrodennetz zur Verwendung in einem in Fig. 1 gezeigten Ozongenerator,
Fig. 3 eine Seitenansicht eines Ozongenerators gemäß der ersten Ausführungsform,
Fig. 4 eine Draufsicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ozongenerators,
Fig. 5 eine Seitenansicht der Ausführungsform nach Fig. 4,
Fig. 6 eine Draufsicht auf eine Generatoreinheit für die Ausführungsform nach den Fig. 4 und 5, und
Fig. 7 eine Seitenansicht der Generatoreinheit nach Fig. 6.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Ein Ozongenerator gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist schematisch in den Fig. 1 bis 3 dargestellt.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, enthält eine Ozongeneratoreinheit 1 zwei Platten 2 aus reinem Aluminiumoxid oder Tonerde, einem Keramikmaterial. Es ist erwünscht, ein Aluminiumoxid mit einer Reinheit von 99,9% oder besser zu verwenden. Jede solche Platte kann beispielsweise Abmessungen mit einer Länge von 160 mm, einer Breite von 115 mm und einer Dicke von 0,65 mm besitzen.
Eine Metallelektrode 3 in Form eines Netzes aus säurefestem rostfreiem Stahl oder ähnlichem ist zwischen den zwei Keramikplatten 2 angeordnet. Das Netz 3, welches auch in Fig. 2 gezeigt ist, ist von einem Rahmen 3' umgeben, der aus dem gleichen Material wie die Platten besteht und eine Dicke von 0,5 mm aufweist, was einen Raum mit der gleichen Höhe wie die der beiden Platten 2 ergibt. Die Platten 2 und der Rahmen 3' sind miteinander zu einer gasdichten Einheit verbunden, beispielsweise mit Hilfe von Glas als Klebstoff.
Als Alternative zu einem getrennten Netz in dem Raum kann fadenförmiges Elektrodenmaterial auf den Innenseiten der Platten 2 angeordnet werden.
Jede Generatoreinheit 1 besitzt Öffnungen zum Einleiten von Sauerstoffgas (O&sub2;) in den Raum zwischen den Platten 2 und zum Abziehen des erzeugten Ozongases (O&sub3;) in Sauerstoffgas aus dem Raum. Außerdem gibt es eine elektrische Verbindung zu dem Netz 3.
Um die Generatoreinheit 1 zu kühlen und eine elektrische Erdung für das System zu schaffen, in welchem das Netz 3 die Phase bildet, sind Metallblöcke 4 auf jeder Seite der Generatoreinheit 1 angeordnet. Jeder Metallblock 4 ist mit Kanälen 4' für ein geeignetes Kühlmedium sowie mit Bohrungen 4" zum Zuführen von Gas zu der Generatoreinheit und zum Abführen von Gas von der Generatoreinheit 1 ausgestattet. Der Block 4 ist an Erde angeschlossen, das Netz 3 ist an eine Hochspannungsquelle angeschlossen. In der Zeichnung sind weder die Fluidverbindungen noch die elektrischen Anschlüsse dargestellt.
Das durch die Metallblöcke 4 umgewälzte Kühlmedium ist vorzugsweise ein Gemisch aus Wasser und Glykol oder einem anderen Alkohol. Es wird mit Hilfe eines Kompressors in solchen Mengen und mit solchen Geschwindigkeiten umgewälzt, daß der Temperaturanstieg des Mediums während eines Durchgangs durch den Block 4 in der Größenordnung von 1ºC bei einer gewählten Arbeitstemperatur von -5ºC beträgt.
In dem beschriebenen System fungiert jede Platte 2 als Dielektrikum, wenn das Netz 3 an einen Wechselstrom und die Blöcke 4 an Erde angeschlossen werden. Die Spannung des vorzugsweise sinusförmigen Wechselstroms kann vorzugsweise in der Größenordnung von 6000 V liegen, theoretisch können auch Spannungen von bis zu 25.000-30.000 V verwendet werden, wenn ein Durchbruch bei einem Wert von 35.000 V entsteht. Die Frequenz des Wechselstroms kann sich im Bereich von 2- 100 kHz, vorzugsweise 2,5 kHz bewegen.
Wenn dieser Strom an das Netz 3 gelegt wird, erhält man eine sogenannte kalte Entladung mit Coronaeffekt durch das Dielektrikum, welches durch die Platten 2 zwischen den linienförmigen Netzbereichen und den geerdeten Oberflächen der Metallblöcke 4 gebildet wird. Hierdurch wird ein gewisser Anteil des durch die Generatoreinheit 1 geschickten Sauerstoffs in Ozon umgewandelt. Unter den oben beschriebenen Umständen kann das Ergebnis bis hin zu 18-20 Vol.-% Ozon innerhalb des Sauerstoffgases betragen, im Vergleich zu lediglich 3-11 Vol.-% Sauerstoff bei herkömmlichen Verfahren.
Ein Sauerstoffgemisch mit einem höheren Ozonanteil als 18% ist möglicherweise spontan explosiv.
Der Sauerstoff kann unter einen gewissen Überdruck von beispielsweise 0,5 bar beim Einleiten in die Generatoreinheit 1 gesetzt werden, um einen korrekten Transport durch die Einheit zu gewährleisten. Außerdem kann das Sauerstoffgas zwangsweise durch einen gewundenen Weg geführt werden, der durch den Raum in der Generatoreinheit 1 führt - indem interne Trennwände vorgesehen werden -, um die Zeit und die Strecke für den Sauerstoff in der Einheit zu erhöhen.
Vorzugsweise wird die Arbeitstemperatur des Dielektrikums auf 20ºC gehalten, wenngleich höhere Temperaturen bis maximal 60-80ºC möglich sind, wobei hier etwa 80% der zugeführten elektrischen Energie in Wärme umgesetzt wird, die weggekühlt werden muß.
Unter den angegebenen Umständen kann die Ausbeute bei jeder Generatoreinheit in der Größenordnung von 20 g/h liegen, was bedeutet, daß 50 Generatoreinheiten oder Elemente erforderlich sind, um 1 kg Ozon/h zu erzeugen. Diese Menge kann beispielsweise zum Reinigen von Abwasser von etwa 2000 Haushalten benötigt werden.
Fig. 3 zeigt einen Stapel von Generatoreinheiten 1 und Blöcken 4. Ein solcher Stapel enthält möglicherweise eine Mehrzahl von Einheiten und Blöcken, viel mehr als die 5 Einheiten und 6 Blöcke gemäß Darstellung.
Eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ozongenerators ist in den Fig. 4-7 dargestellt. Der Hauptunterschied gegenüber der ersten Ausführungsform nach den Fig. 1-3 besteht darin, daß hier die Metallblöcke fehlen, und daß die Generatoreinheiten, in diesem Fall mit dem Bezugszeichen 10 versehen, in eine Flüssigkeit eingetaucht sind, die sowohl das Kühlmedium als auch die elektrische Erdung bildet.
Eine Generatoreinheit für diese Ausführungsform ist in den Fig. 6 und 7 dargestellt. Die Einheit 10 selbst unterscheidet sich im Prinzip nicht von der Einheit 1 der ersten Ausführungsform. Sie enthält zwei Platten, die Dielektrika bilden, und ein Elektrodennetz in dem da zwischen befindlichen gasdichten Raum. Die Einheit 10 besitzt einen Einlaß 11 für Sauerstoff und einen Auslaß 12 für das erzeugte Gemisch aus Ozon und Sauerstoff. Außerdem ist sie mit einem elektrischen Anschluß 13 für das Elektrodennetz ausgestattet.
Ein Stapel aus solchen Generatoreinheiten 10 kann zwischen einem Einlaßrohr 14 für Sauerstoff und einem Auslaßrohr 15 für Ozon/Sauerstoff aufgehängt werden, wobei der Stapel in einen Behälter 16 mit einer Flüssigkeit 17 eingetaucht wird. Außerdem gibt es ein isoliertes elektrisches Kabel 18 zum Zuspeisen eines Wechselstroms zu den Generatoreinheiten 10. Mehrere solche Stapel, beispielsweise 6 Stapel, die jeweils eine relativ große Anzahl von Generatoreinheiten 10 enthalten, können in einem Container 16 aufgenommen werden, im dargestellten Fall beträgt die Anzahl 19. Aus Gründen der Klarheit ist nur ein Einlaßrohr 14 durch ausgezogene Linien in Fig. 5 und ein Auslaßrohr 15 durch gestrichelte Linien dargestellt. In Fig. 4 ist der Strom des Sauerstoffs zu den Stapeln von Generatoreinheiten 10 sowie der Strom von Ozon/Sauerstoff von den Stapeln durch Pfeile angedeutet.
Die in dem Behälter 16, der an Erde anzuschließen oder mit Erdplatten auszustatten ist, verwendete Flüssigkeit 17 sollte ein guter elektrischer Leiter für Hochfrequenzspannungen sein, was bei Wasser der Fall ist. Aus praktischen Gründen wird dieselbe Flüssigkeit auch als Kühlmedium im ersten Ausführungsbeispiel verwendet. Es kann von Vorteil sein, die Flüssigkeit 17 innerhalb des Behälters 16 in einer gewissen Bewegung zu halten.
Für eine entsprechende Anzahl von Generatoreinheiten kann die Anordnung nach der zweiten Ausführungsform effektiver sein, das heißt sie verbraucht weniger Energie. Sie ist möglicherweise auch raumsparender, da der Abstand zwischen benachbarten Generatoreinheiten 10 auf einem so geringen Wert wie 5 mm gehalten werden kann.

Claims

1. Vorrichtung zum Herstellen von Ozon, indem in einem Raum zwischen zwei Wänden (2) aus dielektrischem Material befindlicher Sauerstoff einem hochfrequenten Wechselstrom bei hoher Spannung ausgesetzt wird, wobei der Raum eine Flächenelektrode (3) aufweist und die Wände von außen geerdet und gekühlt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (3) in Form von Fäden oder in Form eines Netzes ausgebildet ist und etwa die gleiche Länge, Breite und Dicke besitzt wie der Raum für das Sauerstoffgas, und daß der abgedichtete Ozongenerator (1) lediglich die Wände (2), die Elektrode (3) und einen Rahmen (3') um die Elektrode herum aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wände (2) aus einem keramischen Werkstoff bestehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material Aluminiumoxid ist und die Elektrode (3) aus säurefestem rostfreiem Stahl besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß direkt auf jeder Seite der Generatoreinheit (1) ein Kühlmittel enthaltender geerdeter Metallblock (4) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatoreinheit (1) in ein geerdetes Kühlmedium (17) untergetaucht ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Generatoreinheiten (1) als Stapel zwischen einem Einlaßrohr (14) für Sauerstoff und einem Auslaßrohr (15) für Ozon/Sauerstoff in dem geerdeten Kühlmedium (17) aufgehängt sind.