HUT66990A - Process and apparatus for producing ozone - Google Patents

Description

Német Szövetségi Köztársaság

KIVONAT

A találmány tárgya eljárás és berendezés ózon előállítására oxigéntartalmú kiindulási gázból. A találmány szerinti eljárás lényege az, hogy az oxigéntartalmú kiindulási gázt mélyhűtve cseppfolyósított gázzal, előnyösen folyékony oxigénnel való hőcsere révén hűt-j-ük le.

A találmány szerinti eljárás megvalósítására alkalmas berendezésre az jellemző, hogy ózonfejlesztőjének (1) kiindulási gázt bevezető vezetéke (5) egy mélyhűtve cseppfolyósított gázt szállító hűtővezetékkel (14) áll hőérintkezésben, ahol ezen hűtővezeték (14) célszerűen beletorkollik a kiindulási gázt bevezető vezetékbe (5). /1. ábra/

Képviselő:

DANUBIA Szabadalmi és Védjegy Iroda KFT

Budapest fO KÖZZÉTÉTELI PÉLDÁNY

ELJÁRÁS ÉS BERENDEZÉS ÓZON ELŐÁLLÍTÁSÁRA

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT, Wiesbaden

Német Szövetségi Köztársaság

WEDECO G.m.b.H., Herford

Német Szövetségi Köztársaság

Feltalálók:

GÁNSCH, Horst, Borgholzhausen, Német Szövetségi Köztársaság

LEITZKE, Orwin, Kaarst, Német Szövetségi Köztársaság

ZIEMANN, Georg, Ottobrunn, Német Szövetségi Köztársaság

A bejelentés napja: 1993. 03. 09.

Elsőbbsége: 1992. 03. 10. /P 42 07 585.8/

Német Szövetségi Köztársaság

76567-4888 Sps/str • tt

A találmány tárgya eljárás ózon előállítására oxigéntartalmú kiindulási gázból, valamint berendezés az eljárás megvalósítására.

Az ózont közismert módon az eljárástechnika számos területén alkalmazzák. Az ózonkezelés különösen a vízkezelési technikában jutott jelentős szerephez. így például az ivóvizet, a háztartási használati vizet, az ipari vizet, az ásványvizet, a fürdővizet és a szennyvizet gyakran kezelik ózonnal, pl. baktériumok és csírák elpusztítására, vírusok inaktiválására, élesztők és gombák elpusztítására, szagok megszüntetésére, huminanyagok lebontására, szerves anyagok mennyiségének csökkentésére, fekáliák kezelésére, zsírok bontására, fenolok eltávolítására, detergensek lebontására, kén, vas, mangán vagy cianidok eltávolítására és a víz oxigénnel való dúsítására. Szokásosan ezekhez a műveletekhez ózongázt juttatnak a kezelendő vízbe.

Az ózon előállítására különféle ismert eljárások állnak rendelkezésre. Az ózon többek között előállítható oxigéntartalmú gázból, például levegőből vagy technikailag tiszta oxigénből csövek közötti résben létrehozott csendes villamos kisüléssel. Ennek során tehát villamos energiát használnak fel, hogy az ózont egy endoterm reakció során az alábbi reakcióegyenlet szerint állítsák elő:

1,5 0₂ --►· 0₃ <S_H = 144,44 KJ/mol ···· ·· · ··.. ₉₉ • · · · · · · • · · · ♦ · ·

- 3 Egy másik lehetőség szerint fotokémiai energiát használnak fel az ózon előállítására. Ennek során az oxigéntartalmú gázt ultraibolya fénnyel sugározzák be. Lehetőség van a sugárzási energia kihasználására is, vagyis az oxigén-molekulák ionizálására -sugárzással. Egy további lehetőséget jelent az elektrokémiai energia felhasználása. Az ózon előállítása ennek során vízelektrolízíssel történik. Az ólomoxid-elektródákon az anódgázban 0^--ionok, 0 és O2 keletkeznek.

Gazdaságossági okokból azonban a gyakorlatban csak a villamos-energia alkalmazása vált általánossá. Elvileg ennek kapcsán még mindig Werner von Siemens találmányát hasznosítják, nevezetesen a csövek közötti résben létrehozott csendes villamos kisülést. Ehhez lényegében két, elektródaként egymásba dugott csövet alkalmaznak, ahol az ózon a külső cső és a belső cső közötti gyűrűalakú résben keletkezik.

Az ózon előállítása mindeddig nagy üzemelési költségekkel járt. 1 kg 100 g/m³ koncentrációjú ózon oxigénből történő előállításához általában 6-10 kW villamos energia szükséges. Amennyiben az előállított ózont pl. szennyvízkezelésnél vagy szemétlerakó helyek szivárgó vizeinek kezelésére használják, akkor (a mindenkori konkrét alkalmazási eset függvényében) 1 kg ózonhoz 1,0-15,0 kg nagyságrendű oxigénszükséglet kapcsolódik. Az ilyen kezelőberendezés üzemeltetője számára ennélfogva tetemes költségek jelentkeznek.

• ·

- 4 Az ózonelőállításnál jelentkező üzemelési költségek csökkentése céljából a technika jelenlegi állása szerint az ózongyártő berendezést, vagyis az úgynevezett ózonfejlesztőt vízzel hűtik. Ezáltal az ózonfejlesztőben keletkező hőenergia elvezethető, miáltal növelhető az ózonfejlesztő hatásfoka és növelhető az előállított ózonmennyiség. A gyakorlatban ennek során a hűtővizet az ózonfejlesztő külső elektródája mentén vezetik.

A találmány által megoldandó feladat olyan eljárás és berendezés létrehozása, amelyek gazdaságos ózonelőállítást tesznek lehetővé.

A kitűzött feladatot a találmány értelmében azáltal oldjuk meg, hogy az oxigéntartalmú kiindulási gázt mélyhűtve cseppfolyósított gázzal való hőcsere révén hűtjük le.

A találmány alapja az a felismerés, hogy az ózonfejlesztő üzemi hőmérsékletének nagyobb mértékű csökkentésével az ózonfejlesztő hatásfoka és egyúttal az előállított ózon mennyisége jelentősen növelhető. Míg a hagyományos vízhűtésnél csupán az ózonfejlesztőben létrehozott hőenergia kerül elvezetésre, a találmány szerinti megoldás révén az ózonfejlesztő üzemi hőmérsékletének számottevő csökkentése érhető el. A vízhűtés során keringtetve áramoltatott víz az ózonfejlesztő üzemelése során felmelegszik, miáltal csökken a hatásfok az üzemelés során. A vízhőmérséklet csupán 1°Ckal való emelkedése már az előállított ózonmennyiség 2%-os csökkenését eredményezi. Ezzel szemben a mélyhűtve csepp• · · · • · • « • · · folyósított gáz mindig ugyanazon (alacsony) hőmérséklettel áll rendelkezésre.

Mivel kiindulási gázként az ózongyártásban általában cseppfolyós oxigént tartalmazó tartályból vett technikailag tiszta oxigéngázt használnak, így eleve rendelkezésre áll egy mélyhűtve cseppfolyósított gáz, nevezetesen folyékony oxigén, a kiindulási gáz hűtésére. Ennélfogva nem jelenkeznek járulékos költségek a mélyhűtve cseppfolyósított gáz biztosítása kapcsán.

A mélyhűtve cseppfolyósított gáz egy hőcserélőn keresztül közvetett hőcserébe hozható a kiindulási gázzal. Elvileg ennek során más folyékony gázok is felhasználhatók hűtőközegként, nem csak folyékony oxigén. Példaként említhetjük itt a folyékony nitrogént és a folyékony héliumot.

A találmány egyik különösen előnyös foganatosítási módja értelmében azonban folyékony oxigént hozunk közvetlen hőérintkezésbe a kiindulási gázzal, vagyis a folyékony oxigént hozzákeverjük a kiindulási gázhoz. Ez azzal az előnnyel jár, hogy egyrészt nem lépnek fel hőátadási veszteségek a hőcserélőn, másrészt pedig a hűtőközegként alkalmazott folyékony oxigén egyidejűleg kiindulási gázként is felhasználható.

Általában az ózon felhasználási helyén, vagyis pl. egy szennyvíz, ivóvíz, háztartási víz stb. ózonkezelésére szolgáló reaktorban oxigéntartalmú távozó gáz (hulladékgáz) keletkezik. Ezt a hulladékgázt többnyire feldolgozzák, vagyis • · · · · · φ • ·· ······ φ φ φ ·· ·♦ · ·· ·Φ

- 6 szárítják és adott esetben tisztítják, végül pedig visszavezetik az ózonfejlesztőhöz, ahol ismét kiindulási gázként szolgál. Az oxigéntartalmú kiindulási gázt ily módon állandóan cirkuláltatják, miáltal a friss kiindulásigáz-szükséglet kb. 90%-kal csökkenthető. Az utánpótlási oxigénmennyiség, vagyis az a mennyiség, amelyet a folyamat fenntartásához állandóan járulékosan be kell táplálni, az ózonfejlesztőn átmenő gázmennyiség kb. 10%-át teszi ki. Célszerűen ezt az utánpótlási oxigénmennyiséget folyékony oxigénnek a visszavezetett hulladékgázba való bekeverésével biztosítjuk.

Előnyösen a mélyhűtve cseppfolyósított gáz és a kiindulási gáz keverési arányát például vezérlőszelepek segítségével úgy állítjuk be, hogy kb. 0°C és kb. -10°C közötti keveredési hőmérséklet jöjjön létre. Alapvetően az előállított ózonmennyiség növekszik az ózonfejlesztő üzemi hőmérsékletének csökkenésével. Nagyon alacsony, -20°C-nál is alacsonyabb hőmérsékletek eléréséhez azonban a legtöbb alkalmazási esetben az szükséges, hogy a fentebb említett utánpótlási oxigénmennyiségen túl még több folyékony oxigént keverjünk a kiindulási gázba. Ebben az esetben a gazdaságossági számításnál figyelembe kell venni a járulékosan felhasznált folyékony oxigén költségeit is.

A találmány tárgyát képezi egy berendezés is egy ózonfejlesztővel, amelynek egy oxigéntartalmú kiindulási gázt bevezető vezetéke és egy ózont elvezető vezetéke van. A találmány értelmében a kiindulási gázt bevezető vezeték

hőérintkezésben áll egy mélyhűtve cseppfolyósított gázt szállító hűtővezetékkel.

Ebből a célból a kiindulási gázt bevezető vezetékbe egy hőcserélő iktatható, amely össze van kötve a mélyhűtve cseppfolyósított gázt szállító hűtővezetékkel. Előnyösen azonban a mélyhűtve cseppfolyósított gázt szállító hűtővezeték közvetlenül a kiindulási gázt bevezető vezetékbe torkollik, hogy közvetlen hőcsere váljon lehetővé a kiindulási gáz és a mélyhűtve cseppfolyósított gáz között. A hűtővezeték másik vége egy a mélyhűtve cseppfolyósított gáz utánpótlását biztosító berendezéssel áll összeköttetésben. A mélyhűtve cseppfolyósított gáz utánpótlását biztosító berendezés előnyösen folyékony oxigént tároló folyékonygáz-tartályként van kialakítva.

Annak érdekében, hogy pl. a távozó gáz ingadozó visszavezetett mennyisége esetén is biztosítsuk az ózonfejlesztő kiindulási gázzal való egyenletes állását, a találmányi gondolat egyik továbbfejlesztése értelmében a kiindulási gázt bevezető vezetékben és a mélyhűtve cseppfolyósított gázt szállító hűtővezetékben az áramlási irányt tekintve a hűtővezeték bevezető vezetékbe való betorkollása előtt átfolyásmérők vannak elrendezve, amelyek egy vezérlőegységen keresztül a kiindulási gázt bevezető vezetékben és a hűtővezetékben levő vezérlőszelepekkel működtető kapcsolatban állnak.

Ahhoz, hogy az ózonfejlesztő üzemi hőmérsékletét is • « *··**··*·***· · ♦ ·

- 8 állandó értéken tarthassuk, a találmány egyik előnyös kiviteli alakja értelmében a fentiek mellett a kiindulási gázt bevezető vezetékben az áramlási irányt tekintve a hűtővezetéknek a kiindulási gázt bevezető vezetékbe való betorkol lása után egy hőmérsékletmérő készülék van elrendezve, amely a vezérlőegységen keresztül a vezérlőszelepekkel működtető kapcsolatban áll.

A találmány előnyösen alkalmazható minden olyan esetben, ahol ózont pl. kezelési célokra használnak fel. Példaként a vízkezelési technikát említjük, ahol az ózont ivóvíz, használati víz, ipari víz, ásványvíz, fürdővíz és szennyvíz kezelésére alkalmazzák. A találmány révén egy ilyen vízelőkészítő-vízkezelő berendezés üzemelési költségei lényegesen csökkenthetők. Az ózonnal működő hagyományos vízkezelő berendezéseknél az ózonelőállítás energiaszükségletének aránya a teljes energiaszükséglet 70%-át teszi ki. Emiatt a találmány révén az ózonelőállításnál elérhető megtakarítási intézkedések jelentős mértékben kihatnak a teljes üzemelési költségekre.

A találmányt részletesebben kiviteli példa kapcsán, a csatolt rajz alapján ismertetjük, amelynek egyetlen ábrája egy ózonnal működő vízkezelő berendezés folyamatvázlatát tünteti fel.

Egy 1 ózonfejlesztőben csövek között létrehozott csendes villamos kisüléssel ózont állítunk elő.

Az 1 ózonfejlesztő számára kiindulási gázként gázalakú ·«·· • · • · • · · ·· • · ·

oxigén szolgál, amelyet 5 vezetéken keresztül táplálunk be az 1 ózonfejlesztőbe. Az előállított ózont 6 vezetéken keresztül egy 2 keverőtartályba vezetjük be és ott összekeverjük a kezelendő vízzel. A kezelendő vizet, pl. szemétlerakó helyről származó szivárgó vizet, szennyvizet, használati vizet stb. 7 vezetéken keresztül juttatjuk a 2 keverőtartályba. Az ózonnal feltöltött vizet 8 vezetéken keresztül egy 3 reakciótartályba vezetjük át, ahol a víz által tartalmazott anyagokat az ózon oxidálja és a káros anyagokat lebontja. Az így megtisztított vizet 9 vezetéken keresztül vezetjük el.

A 3 reakciótartályban az ózon messzemenően elhasználódik és oxigéntartalmú távozó gáz (hulladékgáz) keletkezik, amelyet 10 vezetéken keresztül elvezetünk és egy 4 gázkezelő berendezéshez továbbítunk. A 4 gázkezelő berendezésben az oxigéntartalmú hulladékgázt szárítjuk és tisztítjuk. A hulladékgáz által a 3 reakciótartályból esetlegesen elragadott káros anyagokat a 4 gázkezelő berendezésben elválasztjuk az oxigéntartalmú hulladékgáztól és egy 11 vezetéken keresztül eltávolítjuk. A megtisztított oxigéntartalmú hulladékgázt 12 vezetéken keresztül egy 13 hűtőberendezéshez vezetjük. A 12 vezeték ezután a kiindulási gázt bevezető 5 vezetékbe megy át, vagyis az oxigéntartalmú hulladékgázt kiindulási gázként hasznosítjuk az 1 ózonfejlesztőben.

A 13 hűtőberendezésben az oxigéntartalmú hulladékgázhoz folyékony oxigént keverünk. A folyékony oxigént egy 19 folyékonygáz-tartályból vesszük el és 14 hűtővezetéken kérész-

*·»· ·♦ l 4 · ·

• · · « • · · · tül tápláljuk be az 5 vezetékbe. Ennek során egy az 5 vezetékbe épített 15 nyomáscsökkentő akadályozza meg, hogy a berendezésben a folyékony oxigén betáplálása következtében túlságosan megnőjön a nyomás. Egy 16 lezárószelep segítségével a hulladékgáz-visszavezetés megszakítható az 5 vezeték irányában. A visszavezetett oxigéntartalmú hulladékgáz és a folyékony oxigén keverési arányának vezérlését 17 és 18 vezérlőszelepek biztosítják. Az 5 vezetékbe illetve a 14 hűtővezetékbe 20 és 21 átfolyásmérők vannak beiktatva, amelyekkel a keverési arány folyamatosan ellenőrizhető.

A folyékony oxigénnel kiegészített oxigéntartalmú hulladékgázt az 5 vezetéken keresztül elvezetjük a 13 hűtőberendezésből és kiindulási gázként visszavezetjük az 1 ózonfejlesztőhöz. Az 5 vezetékhez egy 25 szeleppel ellátott 24 hulladékgáz-elvezetés van csatlakoztatva, amelyen keresztül szükséges esetben a felesleges hulladékgáz elvezethető. Emellett a betáplálási hely után egy 22 nedvességmérő és egy 23 hőmérsékletmérő készülék van az 5 vezetékbe iktatva. Az 1 ózonfejlesztőhöz visszavezetett oxigéntartalmú gáz hőmérséklete lényegesen befolyásolja az előállított ózon mennyiségét. A gáz nedvességtartalmának ellenőrzése azért van előirányozva, mert a túl nagy nedvességtartalom károsan befolyásolná az 1 ózonfejlesztő üzemelését.

A 13 hűtőberendezés működésmódja az alábbiak szerint foglalható össze:

A 13 hűtőberendezésben a visszavezetett oxigéntartalmú • V • · · · · • ♦ · 1 t ···«·« · · · • ·· ··

- 11 hulladékgázt folyékony oxigén betáplálásával kb. -5°C és kb. -10 °C közötti hőmérsékletűre hűtjük le. A lehűtött oxigéntartalmú hulladékgázt kiindulási gázként használjuk fel az 1 ózonfejlesztő számára, miáltal annak üzemi hőmérséklete lesüllyed és ezzel jelentősen nő a hatásfoka. Emellett a folyékony oxigénnek a visszavezetett oxigéntartalmú hulladékgázba való betáplálásával éppen azt az oxigénmennyiséget pótoljuk, amely a lebontási reakciók során a 3 reakciótartályban elvész. Általában kb. 10% oxigén veszik el a 3 reakciótartályban, amelyet folyékony oxigén betáplálásával pótolunk.

Egy az ábrán fel nem tüntetett vezérlőegység segítségével, amely a 20 és 21 átfolyásmérőktől, valamint a 23 hőmérsékletmérő készüléktől, és a 22 nedvességmérőtől jövő információkat megkapja, a 17 és 18 vezérlőszelepek úgy vezérelhetők, hogy az 1 ózonfejlesztőbe mindig állandó hőmérsékletű és mennyiségű kiindulási gáz kerüljön bevezetésre az 5 vezetéken keresztül. Ezáltal egyenletes mennyiségű ózon termelése biztosítható.

V « · «

Claims (10)

1. - 12 SZABADALMI IGÉNYPONTOK

   1. Eljárás ózon előállítására oxigéntartalmú kiindulási gázból, azzal jellemezve, hogy az oxigéntartalmú kiindulási gázt mélyhűtve cseppfolyósított gázzal való hőcsere révén hűtjük le.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy mélyhűtve cseppfolyósított gázként folyékony oxigént alkalmazunk.
3. 3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a mélyhűtve cseppfolyósított gázt az oxigéntaralmú kiindulási gázhoz hozzákeverjük.
4. 4. Az 1-3. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, amelynek során az előállított ózont olyan fogyasztóhoz vezetjük, ahol oxigéntartalmú hulladékgáz keletkezik, amelyet körfolyamatban visszavezetünk és kiindulási gázként újra hasznosítunk, azzal jellemezve, hogy a kiindulási gázhoz éppen annyi folyékony oxigént keverünk, amennyi az ózonfelhasználás révén a körfolyamatból kikerül.
5. 5. A 3. vagy 4. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a mélyhűtve cseppfolyósított gáz és a kiindulási gáz keverési arányát úgy állítjuk be, hogy kb. 0°C és kb. -20°C közötti keveredési hőmérséklet alakuljon ki.

   ···· ·· • *
6. 6. Berendezés ózon előállítására egy ózonfejlesztővel, amelynek egy oxigéntartalmú kiindulási gázt bevezető vezetéke és egy ózont elvezető vezetéke van, azzal jellemezve, hogy a kiindulási gázt bevezető vezeték (5) egy mélyhűtve cseppfolyósított gázt szállító hűtővezetékkel (14) áll hőérintkezésben.
7. 7. A 6. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a mélyhűtve cseppfolyósított gázt szállító hűtővezeték (14) a kiindulási gázt bevezető vezetékbe (5) torkollik, míg a hűtővezeték (14) másik vége egy a mélyhűtve cseppfolyósított gáz utánpótlását biztosító berendezéssel áll összeköttetésben.
8. 8. A 7. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a mélyhűtve cseppfolyósított gáz utánpótlását biztosító berendezés folyékony oxigént tároló folyékonygáz-tartályként (19) van kialakítva.
9. 9. A 7. vagy 8. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a kiindulási gázt bevezető vezetékben (5) és a mélyhűtve cseppfolyósított gázt szállító hűtővezetékben (14) az áramlási irányt tekintve a hűtővezeték (14) bevezető vezetékbe (5) való betorkollása előtt átfolyásmérők (20, 21) vannak elrendezve, amelyek egy vezérlőegységen keresztül a kiindulási gázt bevezető vezetékben (5) és a hűtővezetékben (14) levő vezérlőszelepekkel (17, 18) működtető kapcsolatban állnak.
10. 10. A 9. igénypont szerinti berendezés, azzal j ellemezve , hogy a kiindulási gázt bevezető vezetékben (5) az áramlási irányt tekintve a hűtővezetéknek (14) a kiindulási gázt bevezető vezetékbe (5) való betorkollása után egy hőmérsékletmérő készülék (23) van elrendezve, amely a vezérlőegységen keresztül a vezérlőszelepekkel (17, 18) működtető kapcsolatban áll.

    ctK+t ·. Ζ ο [ρπι