FI62234C - Foerfarande foer att utfoera genom koronaurladdning aostadkomna reaktioner - Google Patents

Description

«ΰ55^<Π ra! ^KUULUTUSJULKAISU COO Χλ

JmRä ^ 11 UTLÄOGNINOSSKRI FT

3¾¾ c Patentti oy">:-ir.ctty 10 12 1902 *^5νΜ ” Patent meddelat ^ T ^ (51) Kv.ik?/int.a.3 B 01 J 19/08, C 01 B 13/11 SUOMI —FINLAND (21) ^U"ttlK^.mu.-P«Mn«»»eknlni 2300/71 (22) H«k*ml*ptivt—Am&knlnpdtf 01.08.7^ ^ ' (23) AlkupMvt—GiMghMadag 01.08.7l (41) Tullut JulklMlttl — Whrtt offancllg it. 02.7 5

Patentti- ja rekisterihallitus .... ...... „ . , . , _ ' (44) Nlhttvtlulpenon |a kuuL|ulkala>n pvm. —

Patent- och ragisterstyrelsen ' ' AmMcm utiagd och uci-skrifun pubiicand 31.08.82 (32)(33)(31) tyy*«*r utuoiiMu»—a«gtrd prioritut 13.08.73 USA(US) 387972 (71) Union Carbide Corporation, 270 Park Avenue, New York, N.Y. 10017, USA(US) (72) Frank E. Lowther, Severna Park, Maryland, USA(US) (7I) Oy Kolster Ab (5I) Menetelmä koronapurkauksella aikaansaatujen reaktioiden suorittamiseksi -Förfarande för att utföra genom koronaurladdning ästadkomna reaktioner Tämän keksinnön kohteena on menetelmä koronapurkauksella aikaansaatujen reaktioiden suorittamiseksi, jossa menetelmässä kaasu, esimerkiksi happea sisältävä kaasu, saatetaan alttiiksi koronapur-kaukselle vähintään kahdessa peräkkäisessä, erillisessä, sarjaan kytketyssä koronapurkausvyöhykkeessä, viedään reaktiotuotekaasu kustakin koronapurkausvyöhykkeestä sitä seuraavaan, sarjakytken-nässä olevaan vyöhykkeeseen, ja jäähdytetään reaktiotuotekaasua peräkkäisten koronapurkausvyöhykkeiden välissä kussakin vyöhykkeessä reaktiotuotekaasuun muodostuneen lämmön poistamiseksi ennen sen johtamista seuraavaan koronapurkausvyöhykkeeseen. Kyseessä on uusi systeemi, jossa kaasut voidaan tehokkaasti saattaa alttiiksi suur-jännitteisten koronapurkausgeneraattoreiden vaikutukselle.

On sinänsä tunnettua, että suuri valikoima eri kaasuja voidaan saattaa alttiiksi suurjännitteisen koronapurkauksen vaikutukselle niin, että saadaan joukko erilaisia reaktiotuotteita. Ehkäpä parhaiten tunnettu koronapurkauksella aikaansaatu reaktio sisältää 2 62234 hapen saattamisen alttiiksi suurjännitteiselle vyöhykkeelle niin, että saadaan otsonia, jolloin muodostuu samalla huomattavia lämpö-ylimääriä.

Jotta voitaisiin käsitellä niitä suuria lämpömääriä, joita vapautuu koronapurkauksen aikana, on aikaisemmin tunnetun tyyppiset koronageneraattorit suunniteltu sisältämään monimutkaisia läm-mönvaihdinlaitteita, joilla liikalämpöä poistetaan vierekkäisten elektrodipintojen läpi. Vaihtoehtoinen keino koronageneraattorei-den jäähdyttämiseksi on viedä koronapurkausvyöhykkeen kautta purkautuneeseen tehoon nähden ylisuuria määriä kaasuja. Molemmat nämä menetelmät lämmön poistamiseksi omaavat luontaisia haittapuolia, joko siinä, että vaaditaan monimutkaisia ja käytöltään kalliita laitteita tai että saadaan äärimmäisen pieniä pitoisuuksia reaktiotuotteisiin.

Esillä olevan keksinnön mukaisella menetelmällä saavutetaan huomattavasti laajempi koronapurkauksen aiheuttama reaktio elektrodin yksikköpinta-alaa kohti, kuin mitä tunnetuilla menetelmillä on tähän asti voitu saavuttaa.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista, että reaktiotuotekaasu saatetaan virtaamaan kunkin peräkkäisen koronapurkausvyöhykkeen läpi nopeudella, joka on riittävän suuri poistamaan vyöhykkeestä olennaisesti kaiken ylimäärareaktiolämmön kaasu- virran avulla, että ylläpidetään tehon kulutusta kussakin peräkkäi- 2 sessä koronapurkausvyöhykkeessä n. 1...100 W/cm purkauksen elektro-dipinta-alaa, ja että reaktiotuotekaasua jäähdytetään peräkkäisten koronapurkausvyöhykkeiden välissä vähintään 100 °C:lla.

Keksinnön mukaisesti on edullista, että koronapurkausvyöhyk-keitä käytetään huippuarvoltaan 1000...30 000 V:n vaihtojännitteellä, jolloin mainitun jännitteen taajuus on alueella 50...100 000 Hz. Kaasun paine on edullisesti välillä 0,034...3,4 ilmakehää ja kaasun lämpötila alueella -50°...+250 °C.

Keksintöä kuvataan seuraavassa erään suoritusmuodon mukaisesti viitaten oheiseen piirustukseen, jossa kuvio 1 esittää sarjakytkettyjä koronapurkausgeneraattoreita, jotka on varustettu väliin sijoitetuilla jäähdytyslaitteilla, kuviot 2, 3 ja 4 havainnollistavat (tiettyjen osien ollessa leikattuja) tyypillistä elektrodien rakennetta koronageneraatto-reissa ja kuvio 5 esittää tyypillistä lämmönvaihdinlaitetta (josta osia 3 62234 on esitettynä leikattuna), mitä voidaan käyttää kuvion 2 mukaisen systeemin sisäisissä jäähdytyksissä.

On todettu, että tavanomaisia koronakehitinsysteemejä voidaan tehokkaammin ja hyödyllisimmin käyttää sijoittamalla vähintäin kaksi koronageneraattoria sarjaan kaasun virtauksen suhteen. Edelleen saavutetaan oleellisia ylimääräisiä etuja mikäli sen jälkeen, kun reaktiokaasu on viety ensimmäisen koronageneraattorin kautta, tätä reaktiokaasua jäähdytetään, ennenkuin se viedään toisen koronageneraattorin kautta. Siinä tapauksessa, että useampia kuin kaksi koronageneraattoria on läsnä tässä systeemissä, tämän tuotekaasun jäähdyttäminen toteutetaan edullisimmin ennen reaktiota missä tahansa myöhemmässä generaattorissa.

Kuviossa 1 havainnollistettu laite edustaa erästä erityisen edullisena pidettyä suoritusmuotoa kyseessä olevasta keksinnöstä, jossa on aikaansaatu sisäiset jäähdytyslaitteet kunkin parin koro-nageneraattoreita väliin. Kuviosta 1 voidaan nähdä, että korona-generaattorit 15, 16 ja 17 on kytketty sarjaan kaasun jäähdytyslaitteiden 20 ja 21 kanssa. Se kaasu, joka tulee saada reagoimaan tässä systeemissä tulee putkessa 23 ensimmäiseen koronageneraattoriin 15. Johto 24 kytkee ensimmäisen koronageneraattorin 15 ensimmäiseen jäähdytyslaitteeseen 20 ja johto 25 kytkee ensimmäisen jäähdyts-laitteen 20 toiseen sarjakytkettyyn koronageneraattoriin 16. Edelleen johto 26 yhdistää toisen koronageneraattorin 16 toiseen kaasua jäähdyttävään laitteeseen 21 ja johto 27 kytkee jäähdytyslaitteen 21 viimeiseen esitettyyn sarjakytkettyyn koronageneraattoriin 17. Tämä koronageneraattori 17 on kytketty ulostulon johtoon 28. Edelleen on koronageneraattorit 15, 16 ja 17 kytketty korkean jännite-potentiaalin syöttölähteeseen sähköjohtimien 10 ja 11 avulla.

Jäähdytyslaitteet 20 ja 21 muodostuvat tavanomaisista läm-mönvaihdinlaitteista, joihin on liitetty jäähdytysväliaineen johdot 29 ja 30. Jäähdytysväliaine tulee sisään johdosta 29 ja poistuu johdon 30 kautta saattaen olla joko nestemäistä tai kaasumaista.

Koronageneraattorit 15, 16 ja 17 ovat rakenteeltaan tavanomaisia jaon niissä elektrodien rakenteet, joita on tyypillisesti havainnollistettu kuvioissa 2, 3 ja 4. Erityisesti viitaten kuvioon 2 voidaan nähdä, että koronageneraattorin elektrodit on suljettu koteloon 31, joka on varustettu kaasun sisääntulojohdolla 32 sekä kaasun ulostulojohdolla 33. Kotelon 31 sisään on asennettu 4 62234 purkauselektrodien levyt 35 ja 36. Purkauselektrodien levyt 35 ja 36 ovat erillään toisistaan niitten viereen sijoitettujen dielekt-risten levyjen 37 ja 38 avulla. Elektrodin levyt 35 ja 36 on kytketty vastaavasti korkean jännitepotentiaalin syöttölähteeseen sähköjohtimien 39 ja 40 avulla. Dielektristen levyjen 37 ja 38 väliin muodostuu koronapurkausaukko 41.

Piirustuksissa tämä rako on esitetty kooltaan liioiteltuna ja se muodostuu normaalisti etäisyydestä, jonka suuruus on väliltä 0,0025...13 mm etäisyytenä dielektristen levyjen 37 ja 38 välillä.

Kuviossa 3 esitetty elektrodien rakenne eroaa kuviossa 2 esitetystä siinä, että suuren jännitteen elektrodit 45 ja 46 ovat e-rillään toisistaan dielektrisen levyn 47 avulla, joka sijaitsee erossa elektrodien 45 ja 46 pinnoista. Elektrodien 45 ja 46 välissä muodostuu koronapurkausrako tiloihin 48 ja 49.

Kuvio 4 sisältää elektrodien rakenteen, jossa suuren jännitteen elektrodilevyt 50 ja 51 ovat erillään toisistaan dielektrisen levyn 52 avulla, joka sijaitsee elektrodilevyn 50 vieressä. Korona-rako 53 muodostuu tilaan dielektrisen levyn 52 ja elektrodin levyn 51 välillä.

On todettava, että nyt kyseessä olevan keksinnön mukaisessa käytössä käytettävät koronageneraattorit ovat tavanomaisia ja ne voivat käyttää kuvioissa 2, 3 ja 4 esitettyjä elektrodeja. Edelleen on ymmärrettävä, että muita elektrodirakenteiden vaihtoehtoja, mukaanluettuna sekä litteät että pyöreät tai kaarevat pinnat, voidaan edullisesti käyttää hyväksi.

Kuvio 5 esittää yksityiskohtia tyypillisestä lämmönvaihto-laitteesta, jota voidaan käyttää nyt kyseessä olevan keksinnön toteutuksessa. Kuvion 1 mukaiset lämmönvaihtolaitteet 20 ja 21 saattavat tyypillisessä tapauksessa muodostua kuviossa 5 kuvatusta rakenteesta. Kuviossa 5 on kotelo 55 varustettu kaasujohdolla 56. Tämän kotelon 55 sisällä on kaasunjohdin 56 varustettu jäähdytyslaipoilla 58. Tämä kotelo on myös varustettu jäähdytysaineen solilla 59 ja 60. Vaikkakin kuvio 5 esittää tyypillistä suljetun tyyppistä lämmönvaih-dinlaitetta on ymmärrettävä, että kuviossa 1 esitetty laitteisto saattaa käyttää muita tavanomaisen tyyppisiä lämmönvaihtimia, mukaanluettuna sellaiset, joita jäähdytetään kaasun konvektiolla ja säteilyllä.

Kuviossa 1 esitetty systeemi edustaa erityisen edullisena 5 62234 pidettyä suoritusmuotoa nyt kyseessä olevasta keksinnöstä. Esim. otsonin valmistuksessa kuvion 1 mukaiseen laitteeseen tulee happipi-toista kaasua syöttölähteestä sisääntulon johdon 23 kautta. Ensimmäinen koronapurkausreaktio toteutetaan ensimmäisessä koronageneraat-torissa 15 ja tämän jälkeen reaktanttikaasu poistuu johdon 24 kautta välilämraönvaihtimen laitteeseen 20. Ensimmäisen koronageneraattorin läpi kulkeneen kaasun lämpötila nousee usein 100°...150°C määrän.

Tämä lämpötilan lisäys johtuu liikalämmön kehittymisestä korona-purkausraon sisällä. Tämä ylimääräinen lämpö on määrältään likimain 90 % tämän generaattorin kuluttamasta tehosta. Kuuma reaktiokaasu, joka tulee ulos johdon 24 kautta joutuu lämmönvaihdinlaitteeseen 20 ja se alentuu lämpötilaltaan ennen, kuin se joutuu toiseen korona-generaattoriin 16. Edullisimmin tätä kaasua jäähdytetään sen alkuperäiseen sisääntulon lämpötilaan ja edullisimmin vähintäin 100°C. Tämän kaasun jäähdyttäminen toteutetaan lämmönvaihdinväliaineella, joka tulee tämän lämmönvaihtimen 20 sisätilaan johtimien 29 ja 30 välityksellä. Jäähdyttämisen jälkeen tämä kaasu poistuu lämmönvaihti-mesta 20 johdon 25 kautta ja se joutuu toiseen sarjakytkettyyn otsoni-generaattoriin 16. Koronapurkauksen reaktio toistetaan tässä korona-generaattorissa 16 ja reaktanttikaasu tulee sieltä ulos johdon 26 kautta ja joutuu toiseen jähdytyslaitteeseen 21. Kaasua jäähtytetään jälleen lämmönvaihtimessa 21 ja se tulee ulos johdon 27 kautta sekä joutuu kolmanteen sarjakytkettyyn otsonigeneraattoriin 17. Reaktion jälkeen kolmannessa otsonigeneraattorissa 17 reaktantin kaasu tulee ulos johdon 28 kautta. Vaikkakin kuvio 1 esittää kolme sarjakytket-tyä otsonigeneraattoria, on ymmärrettävä, että tyypillinen systeemi saattaa sisältää minkä tahansa määrän kahdesta niin suureen lukumäärään generaattoreita, kuin kulloinkin vain halutaan. Tyypilliset asennukset yleensä sisältävät kolmesta kymmeneen generaattoria sarja-kytkettynä.

Kuviossa 1 esitetty systeemi omaa hyvin huomattavia etuja aikaisemmin tunnettuihin laitteisiin verrattuna siinä että oleellisesti kaikki reaktion liikalämpö poistetaan koronageneraattorin laitteesta äärimmäisen korkean reaktanttikaasun virtauksen avulla. Tämä reaktantin kaasu jäähdyttää hyvin tehokkaasti elektrodin pintoja, koska kaasu on kosketuksissa näiden kanssa ja poistaa välittömästi liikalämmön ennen dielektrisen aineen ja elektrodipintojen ylikuumentumista. Tyypilliset aikaisemmin tunnetut laitteet aikaansaivat 6 62234 ensisijaisen jäähdytyksen elektrodipintojen muulla kuin purkauspuo-lella, tämän johdosta lämmönvirtauksen tietä rajoittaa reaktantti-kaasun kerros välittömästi dielektrisen pinnan vieressä ja se luontainen lämmönsiirtymisen vastus, jonka dielektrinen aines ja elekt-rodipinnat sinänsä aihei^ttavat. Edelleen aikaisemmin tunnetut laitteet, joita jäähdytetään ulkopuolisella mekaanisella kosketuksella elektrodin pintojen kanssa, sisälsivät äärimmäisen monimutkaisen ja kalliin ulkopuolisen lämmönvaihdinlaitteen.

Käyttäen kuvion 1 mukaista laitetta, jossa jäähdytys toteutetaan pääasiallisesti reaktanttikaasun avulla, voidaan todeta, että laitetta voidaan käyttää huomattavasti lisääntyneen tehon kulutuksen olosuhteissa. Tyypillisesti voidaan todeta, että jäähdyttämällä välillä reaktantin kaasua voidaan otsonikehittimiä käyttää paljon suuremmalla tehonkulutuksen nopeudella. Tyypillisesti voidaan todeta, että tehon kulutusta voidaan lisätä määrästä suuruusluokaltaan 1 watti/cm elektrodipintaa kohden niinkin suureksi kuin 100 W/cm elektrodin pinta-alaa kohden. Tämä merkitsee, että tyypillisessä tapauksessa otsonin tuottokapasiteetti tietyllä koronageneraatto-rilla on lisättävissä jopa suuruusluokaltaan. Tämä tahtoo sanoa, että tyypillisessä tapauksessa otsonin kehitystä voidaan lisätä määrästä noin 16 kg päivässä niinkin suureksi kuin 4800 kg päivässä kutakin elektrodin pinta-alaneliömetriä kohden.

Jotta voitaisiin havainnollistaa tyypillisen laitteen erityisiä toimintaolosuhteita esitetään seuraavassa esimerkkitapaus.

Esimerkki Käytettiin kuviossa 1 esitetyn kaltaista systeemiä käyttäen kolmea kuvion 3 tapaista koronageneraattoria, joista kussakin elekt- 2 rodin pinta-ala on likimain 0,093 m ja elektrodin rako oli 1 mm. Ensimmäisen ja toisen koronageneraattorin väliin kytkettiin sarjaan lämmönvaihdinlaite kuten on esitettynä kuviossa 1. Vastaavasti toisen ja kolmannen otsonigeneraattorin väliin asetettiin toinen lämmönvaihdinlaite. Nämä lämmönvaihtimen laitteet olivat vesijäähdytteisiä. Otsonin generaattoreita käytettiin jännitteellä liki-määrin 12 000 volttia huippujännitettä ja taajuudella likimain 10 000 jaksoa sekunnissa muuntajaa käyttävän teholähteen avulla, sen kuluttaessa noin 5000 wattia. Kuivaa happea syötettiin ensimmäiseen otsonigeneraattoriin nopeudella likimain 1,4 kuutiometriä minuutissa. Kuiva happi tuli ensimmäiseen laitteeseen ympäristön 7 62234 lämpötilassa ja poistui likimain 200 °C lämpötilassa. Kaasu ensimmäisestä koronageneraattorista sisälsi likimain 0,55 % otsonia.

Tämä reaktanttikaasu jäähdytettiin sitten lämmönvaihtimen avulla lämpötilaan likimain 75 °C. Reaktantin kaasu tuli toiseen korona-generaattoriin lämpötilassa75 °C ja poistui sieltä lämpötilassa noin 200 °C. Tämä ulostuleva kaasu sisälsi 1,04 % otsonia. Reaktanttikaasu joutui sitten toiseen lämmönvaihtimeen, jonka avulla lämpötila jälleen laskettiin 75 °C määrään ennenkuin kaasu joutui kolmanteen koronageneraattoriin. Kaasu kolmannesta otsonigeneraat-torista omasi lämpötilan noin 200 °C ja lopullisen otsonipitoisuuden noin 1,50 %. Käyttäen systeemiä kuvattuun tapaan voitiin havaita, että otsonia tuotettiin jatkuvasti pitkiäkin ajanjaksoja nopeudella likimain 54 kg päivässä. Tämä edusti tuotantonopeutta suuruusluokaltaan 195 kg otsonia kutakin käytettyä elektrodin pinta-alaneliömetriä kohden. Jäähdytysveden määrä oli 190 litraa kutakin 4,5 kg otsonia kohden ja sen lämpötilan lisäys oli suuruusluokaltaan 20 °C.

Ylläoleva selitys ja esimerkki osoittaa selvästi, että voidaan saada tehokkaampi ja suurempi otsonin tuotos käyttämällä nyt kyseessä olevaa keksintöä. Edelleen voidaan todeta, että otsonin lisäksi monia koronapurkauksella aikaansaatuja reaktioita voidaan toteuttaa nyt kuvatulla systeemillä.

Claims (5)

8 62234

1. Menetelmä koronapurkauksella aikaansaatujen reaktioiden suorittamiseksi, jossa menetelmässä kaasu, esimerkiksi happea sisältävä kaasu, saatetaan alttiiksi koronapurkaukselle vähintään kahdessa peräkkäisessä, erillisessä, sarjaan kytketyssä koronapur-kausvyöhykkeessä, viedään reaktiotuotekaasu kustakin koronapurkaus-vyöhykkeestä sitä seuraavaan, sarjakytkennässä olevaan vyöhykkeeseen, ja jäähdytetään reaktiotuotekaasua peräkkäisten koronapurkaus-vyöhykkeiden välissä kussakin vyöhykkeessä reaktiotuotekaasuun muodostuneen lämmön poistamiseksi ennen sen johtamista seuraavaan koro-napurkausvyöhykkeeseen, tunnettu siitä, että reaktiotuotekaasu saatetaan virtaamaan kunkin peräkkäisen koronapurkausvyöhyk-keen läpi nopeudella, joka on riittävän suuri poistamaan vyöhykkeestä olennaisesti kaiken ylimääräreaktiolämmön kaasuvirran avulla, että ylläpidetään tehon kulutusta kussakin peräkkäisessä koronapur- 2 kausvyöhykkeessä n. 1...100 W/cm purkauksen elektrodipinta-alaa, ja että reaktiotuotekaasua jäähdytetään peräkkäisten koronapurkausvyö-hykkeiden välissä, vähintään 100 °C:lla.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että koronapurkausvyöhykkeitä käytetään huippuarvoltaan 1000...30 000 V:n vaihtojännitteellä.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainitun jännitteen taajuus on alueella 50...100 000 Hz.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1...3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kaasun paine on välillä 0,034...3,4 ilmakehää.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1...4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kaasun lämpötila on alueella -50°... +250 °C.