NO760875L - - Google Patents

Description

Kontinuerlig osondannelses- og gjenvinningssystem.

Oppfinnelsen vedrører osonsyntese. Den vedrører en riy fremgangsmåte og et nytt apparat for fremstilling av oson av en oksygenrik gass på kontinuerlig basis, slik det er nødven-dig ved mange industrielle oksydasjonsformål, såsom fremstilling av peroksyder og organiske syrer, behandling av kommunal kloakk og fabrikkavløp, desinfeksjon i stor målestokk og luft-kontroll, bleking og behandling av drikkevann. Fordeler er funnet ved bruk av ren, tørr oksygenrik gass for osonsyntese i forhold til anvendelsen av luft. En osoniseringsinnretning av den stille, elektriske utladningstype vil frembringe mer enn to ganger den mengde oson som benyttes ved anvendelse av oksygeninnmating, og reduserer derved kapitalomkostningene for coronadannelsésutstyret. Den energi som kreves for; fremstilling av., en gitt vekt av osonprodukt avtar til mindre enn halvparten, hvorved driftsomkostningene for generatoren blir redusert. Dessuten vil den maksimale osonkonsentrasjon som oppnås øke om omtrent den samme fakter ved benyttelsen av 9 0 % rent ogsygen.

Kostnadene for fremstilling av en oksygenrik raatestrøm for et kontinuerlig osondannelsesanlegg er tilstrekkelig høye til at mesteparten av oksygenet som føres gjennom osondannelses-utstyret må gjenvinnes og resirkuleres for å gjøre prosessen økonomisk. En fremgangsmåte for gjenvinning og resirkulering av oson er beskrevet i U.S. patent nr. 2.872.397. Ifølge dette tidligere kjente system, ble oksygen i relativt ren form om-dannet av en elektrisk utladningsreaktor til oson og den re-sulterende gassblanding som inneholder en hoveddel av oksygen og en mindre del av oson føres gjennom et lag av adsorbsjons-partikler,. såsom silikayel. Osonen ble adsorbert av silikagel og den gjenblivende oksygendel føres gjennom laget for gjen-, vinning og resirkulering. Resirkuleringsstrømmen blir kontinuerlig etterfylt eller periodisk etterfylt med oksygen i en mengde som kompenserer den del som omdannes til osonproduktet i generatoren. Vanligvis benyttes to eller flere adsorbsjonsenheter slik at når adsorbsjonsmidlet silikagel i en beholder når metningspunktet for osonkapasiteten, kan den osonholdige gass føres over til andre adsorbsjonsenheter. Mens den osonholdige oksygenrike strøm fra osongeneratoren behandles i den andre adsorbsjonsenhet, fjernes osonet i den første enhet fra adsorbsjonsmidlet ved anvendelse av en strippegass såsom luft, nitrogen eller én annen fortynningsgass som virker som en bærer for osonet. Dette resulterer i en sikker osonbæregass-blanding som er egnet for etterfølgende kjemisk reaksjon, uten eksplosjonsfare for oksygen-osonblandingen. Adsorbsjonstempera-turen ifølge de tidligere kjente fremgangsmåter ligger mellom ca. -80°C og + 20°C Det er kjent at adsorbsjonskapasiteten for silikagel avtar merkbart når temperaturen nærmer seg om-givelsestemperaturen.

Man har funnet at osonfremstillingsprosser og apparater som innbefatter at luft separeres til en oksygengass-strøm og en nitrogengass-strøm,.hvor oksygengass-strømmen føres gjennom osondannelsesprosessen, frembringer en osonholdig oksygengass-strøm. Den osonholdige oksygengass-strøm bringes i kontakt med et fast adsorbsjonsmiddel for å fjerne og adsorbere oson og oksygengass-strømmen resirkuleres til psondannelses undersystemet. Det osonladede adsorbsjonsmiddel bringes i kontakt med nitrogenbæregass for å desorbere oson og gjenvinne osonet i bæregassen.

Det er funnet flertrinns osondannelsesmetoder og apparater hvor en oksygengass-strøm avkjøles mellom osondannelsestrinnet i et system med høy gjennomgang og hvor det oppnås en fremgangsmåte og en innretning for separering av luft til en oksygengass-s trøm og en nitrogengass-strøm, hvor oksygengass-strømmen føres gjennom flertrinnsprosessen som frembringer en kjølig osonholdig oksygengass-strøm, at den osonholdige oksygengass-strøm bringes i kontakt med et fast adsorbsjonsmiddel for å fjerne og adsorbere oson,.at oksygengass-strømmen resirkuleres til osondannelses-undersystemet, og at det osonladede adsorbsjonsmiddel bringes i kontakt med en bæregass, såsom nitrogen for å desorbere oson, og at oson gjenvinnes fra produktet i bæregassen.

Ved oppfinnelsen "oppnås iilveiebringelsen av et nytt, kontinuerlig omdannelses-gjenvinningssystem og en drifts-metode som innbefatter innretninger for føring av oksygenrik gass gjennom en elektrisk corona med et høyt forhold mellom gassvolum og elektrodeflate for å syntetisere oson i en konsentrasjonsstigning ikke større enn 1 vekt-% i gass-strømmen. Systemet omfatter også en innretning for kjøling av den osonholdige oksygengass-strøm mellom osondannelsestrinhenebg innretningen for å bringe den kjølte gass-strøm i kontakt med silikagel for å adsorbere oson og gjenvinne en oksygenrik gass-strøm for resirkulering for å oppnå en maksimal utnyt-telse av det dyre oksygen. En videre hensikt er å tilveiebringe en trykksvingende, molekylær sikt, separeringsapparat med innretning for separering av luft til en oksygenrik gass-. strøm som kilde for oksygeninnmating til osongeneratorene og en nitrogenrik gass-strøm med innretninger for desorbsjon av osonet med nitrogen.

En annen utførelse tilveiebringer en kryogen-luft-flytendegjøring, en gasskilde som består i det vesentlige av oksygen og en nitrogenstrøm for desorbsjon av oson fra silikagel.

Disse og andre hensikter med oppfinnelsen vil fremgå nærmere av den følgende beskrivelse i forbindelse med tegningen.

"Tegningen viser et skjematisk strømningsdiagram av systemet som viser forholdet mellom de operative forbundne . innretninger for gasssyntese, behandling og gjenvinning.

I det følgende er alle prosentangivelser vektprosent eller vektdeler, hvis intet annet er sagt.

På tegningen er det vist dannelsen av en oksygenkilde i form av en luftseparator 10, som tilføres en matestrøm av tørr luft. En kontinuerlig strøm av rent oksygen eller oksygenanriket gass som inneholder mindre mengder inert gass, mates til en første osongenerator 12, hvor en første positiv konsentrasjonsstigning av oson oppnås, og det tilveiebringes en strøm av osonholdig oksygengass ved en høyere temperatur, vanligvis mellom 50°C og 100°C. Temperatur til behandlings-strømmen reduseres ved en første varmevekslerinnretning eller kjøler 14, og føres så til en andre osongenerator 16 og en andre kjøler 18. Antallet osondannelsestrinn kan variere sterkt i avhenighet av effektiviteten til den elektriske utladnings coronagenerator, gasssammensetning etc. En kjølt oksygenrik gass som inneholder minst 1 % 0^, og fortrinns-

vis 3 % eller mere 03, blir så ført til osonadsorbsjon til et separasjons- og gjenvinnings undersystem.

En fireveis ventil 20 gjør det mulig å føre fluidumet til alternerende adsorbsjonslag 30, 32, hvor oson valgvis adsorberes og en gass som består vesentlig av oksygen gjenvinnes for resirkulering til osonsyntesedelen av systemet. Resirkuleringsgassen styres i sin bane av treveisventilen 34 og oksygen resirkuleringsstrømmen kan innføres direkte til hovedtilførselsstrømmen av 0^fra luftseparatoren 10.

Resirkuleringsstrømmen kan behandles kontinuerlig eller avbrutt for.å fjerne uønskede urenheter eller uønsket inert gass for å forbedre osondannelseseffektiviteten og beskytte renheten. Til dette formål kan det være anordnet et lag i form av én•krystallinsk aluminiumsilikat molekylær sikt eller annet gasssepareringsmedium kan benyttes som en del av hjelpe-enheten 36, som er anordnet i resirkuleringsledningen.

Det osonladede adsorbsjonsmedium kan regenereres ved føring av en bæregass, såsom nitrogen eller'tørr luft gjennom laget, mens det andre lag benyttes i adsorbsjonssyklusen. Den foretrukne fremgangsmåte for drift av gjenvinningssystemet benytter'tørr nitrogenrik gass fra luftseparatoren 10 som bæregass. Produktet oson blir så gjenvunnet i bæregass-strømmen.

Luftseparatorenheten kan utgjøre såvel en kilde for oksygen som for bæregass for desorbsjon eller regenererasjon.

Separasjon av luft i dens hovedkomponent og N2er velkjent.

Det kan benyttes kryogene prosesser basert på Joule-Thomson effekt. Den modifiserte Linde-Frankl syklus benyttes i tallrike industrielle gassanlegg. Typiske prossser er beskrevet iU.S. patenter nr. 2.431.866, 2.856.756 og i McClintocks<1>s skrift "Cryogenics", Reinhold PUbl. 1964. Utgangsstrømmene består vanligvis i det vesentlige av 0^ eller ^ gass.

Den oksygenrike strøm og nitrogen bæregassen kan også tilveiebringes ved hjelp av andre typer luftseparatorer.

I de senere år er det gjort betydelige anstrengelser for å utvikle en adsorbsjonsenhet kjent som trykksvingesystem.

Idet det trekkes fordel av den foretrukne adsorbsjon for nitrogengas fra luft, benytter disse systemer redusert, trykk for å tilveiebringe likevektbetingelser til gjenvinning

av adsorbert nitrogen. Typiske trykksvinge luftseparerings-innretninger er beskrevet i U.S. patenter nr. 3.564.816, 3.717.974 og 3.738.087,

En coronagenerator med høy gassgjennomgang som er egnet for det foreliggende system er beskrevet i U.S. patent nr. 3.79 8.457 og i U.S. patent nr (U.S. søknad nr. 509.278). Osondannelsesinnretninger av denne type kan drives med en meget høy hastighet for oksygengass gjennomgang. For eksempel drives en generator med parallelle plane flater med et gass/elektrode forhold på ca. 25 liter/sek./m<2>basert på effektive enkle elektrodeflater, med en krafttilførsel pa ca. 16 Kw/m 2. Et inngangs trykk på ca. 2. atmosfærer,

oson benyttes ved en konsentrasjonsøkning på ca. 0,5 vekt-% pr. trinn med en innløpstemperatur på ca. 20°C og en utgangs-temperatur på ca. 90°C.

Høy gjennomgang av oksygenrik gass tillater effektiv drift for coronageneratoren. Dette skyldes hovedsakelig at den osonholdige oksygenstrømmen holdes ved en lav temperatur, fortrinnsvis lavere enn ca. 100°C. Sammenligning med typiske vannkjølte generatorer, gir de luftkjølte enheter en høy elektrisk effektivitet, vanligvis omkring 15 til 50 kW/m 2elektrodeflate. Fjerning av den osonholdige strøm fra coronaen mindre enn 1 vekt-% 0^, stigningsøkning er økonomisk mulig hvor oksygenstrømmen gjenvinnes og resirkuleres.

Utstrømningsgass som forlater det siste coronagenerator-trinn har vanligvis en temperatur mellom 50°C og 100°C, og det kjøles til ca. omgivelsestemperatur (f.eks. 0 til 35°C) før adsorbsjonstrinnet. Varmevekslere av finrørstypen kan benyttes mellom osoniseringstrinnet og ved slutten for å kjøle den oksygenrike gass-strøm for mere effektiv adsorbsjon av. silikagel. Omgivelsesluft kan benyttes som kjølemedium for gass-til-gåss varmeveksling. Andre egnede kjøleenheter, såsom vannkjølte mantler og rør er også egnet for bruk i systemet.

Osohgeneratorenhetene kan drives under forskjellige kraft-tilførselsbetingelser. Coronainnretninger med høy gjennomgang er tilgjengelige som drives ved relativt stor krafttetthet, f.eks. 15-50 kW/m 2basert.på kontinuerlig gjennomsnittlig kraft pr. enhet effektiv elektrodeflate. ) Fordeler ved corona-utladnings kraftkilder for osonfremstilling gir forbedringer i kraftforbruket som kan være fordelaktig for det foreliggende system. En egnet kraftinnretning er beskrevet i U.S. patent nr. 3.784.838. Imidlertid kan andre elektriske systemer bli benyttet for å oppnå krafttettheter som er egnet for systemer med høy gassgjennomgang. Den totale elektriske effektivitet blir vanligvis uttrykt som mengde kraft som forbrukes pr. vekt-enhet fremstilt oson, og vanlig teknologi kan frembringe oson ved mindre enn 5 watt pr. time pr. gram , mens man holder en god gjennomgangs gasshastighet, f.eks. ca. 25 liter/m 2/sek.

Adsorbsjontrinnet kan gjennomføres under mange forskjellige prosessbetingelser fra frysetemperatur til omgivelsestemperatur og fra underatmosfærisk til overatmosfærisk trykk. Av økonomiske grunner er det foretrukket å adsorbere oson fra en strøm som inneholder 1 til 3 % 0^og 90 %. 0^ ved en temperatur på ca. -50°C til + 35°C og mellom 1 og. 5 atmosfærer. De opti-male betingelser er 2 % 03', 98 % Q>2og -10° til -20°C ved et trykk større enn 1 atmosfære. Adsorbsjonen er i realiteten fullstendig, med litet eller ingen 0^ i det resirkeulerte 02

til lagets metning er nådd.

Osonladet silikagel kan.lett strippes med tørr luft eller nitrogenrik gass ved et trykk noe under adsorbsjonstrykket,. såsom ved et moderat undertrykk, ved å benytte omgivelses-gasstemperaturer på 0 til 35°C. En foretrukket adsorbsjons-desorbsjons tidssyklus er ca. 5 minutter. Imidlertid er syklustiden en funksjon av lagets størrelse og fluidhåndterings- utstyrets muligheter. Et typisk system for adsorbsjon av 2 % 0^' i 9 8 % 02med en 5 minutters syklustid benytter ca.

5 deler adsorbsjonsmiddel pr. vektdel 0^pr. dag (f.eks.

5 gram silikagel pr. 1 gram daglig kapasitet).

Adsorbsjonsenheten 30, 32 kan være av konvensjonell type, innbefattende en lukket beholder eller tårn som er pakket med adsorbsjonslag av siikagelpartikler, som f.eks. "Davison Type 407". For å oppnå en kontinuerlig prosess, benyttes flere adsorbsjonstårn som er koblet parallelt.

Et hvilket som helst antall tårn kan benyttes, men det er foretrukket to eller tre for de fleste prosesser for å be-grense kapitalinvesteringene. Gassomskiftingen kan gjennom-føres manuelt eller automatisk for å tilveiebringe et syklisk system for alternativ adsorbsjonslags vedlikehold. Mellom adsorbsjonssyklusene og. desorbsjonssyklusen kan det være ønskelig å evakuere tårnene for fjerning av oksygen eller bæregass for å hindre forurensning av produktstrømmen eller resirkulasjonsstrømmen. Egnet pumpeutstyr kan tilføres til strømningsdiagrammet på tegningen for å fullføre dette på en måte som er kjent for fagmannen. Adsorbsjonsprosessen kan gjennomføres ved benyttelse av det samme nedstrømstrykk som for osongeneratorene eller en liten trykkøkning kan tilføyes for å lette adsorbsjonen. Lagets metning er en funksjon av osonets partielle trykk og likevektbetingelsene kan benyttes fordelaktig mellom adsorbsjoh og desorbsjonstrinnene. Oson-separasjon fra en oksygenstrøm på kontinuerlig basis er beskrevet i U.S. patent nr. 2.872.397. Ved en foretrukket ut-førelse av oppfinnelsen er osonkonsentrasjonen 1 til 2 vekt-% eller mere, med en tidssyklus' på 1 minutt til 100 minutter . Silikagellagets størrelse avhenger av en rekke faktorer., ad-sorbs jonstemperaturen, osonets partialtrykk, syklustiden etc. Vekten av adsorbsjonsmidlet er vanligvis mer enn 5 ganger den daglige vekt som produseres av oson, og kan være 20 til mer enn 1000. ganger i avhengighet av kons truks jonskriteriene.

Adsorbsjonsmidlet som benyttes for separering av oson fra generatorens gassutstrømning bør ha visse egenskaper inn-befattendé en høy osonselektivitet og relativt lav adsorbsjon for oksygen eller nitrogen. Adsorbsjonsmidlet bør lett kunne reaktiveres for å fjerne mindre behandlingskomponenter eller urenheter, såsom vann. Fast partikkelstoffmateriale med én gjennomsnittlig partikkelstørrelse på 100-lOOO^u er foretrukket fra et konstruksjonsmessig synspunkt og med hensyn til lettheten for fluidumbehandling. Foretrukne adsorb-sjonsmidler har en stor osonsorpsjonskapasitet under moderate driftsbetingelser og kan lett strippes eller desorberes av nitrogenrik gass under omgivelsestemperatur/trykkbetingelser.

Mens halogenerte hydrokarbonvæsker eller forskjellige krys-talline aluminiumsilikater kan ha begrenset anvendbarhet som et selektivt osonadsorbsjonsmiddel, har forsøk fra kjent teknikk vært mest hensiktsmessig ved bruk av silikagel. Artikler av Cook et al og Balcar et al i "Advances in Chemistry Series hr. 21", American Chem. Soc. 1959, beskriver forskjellige systemer for osonsorpsjon og overføring til en bæregass.

Det foretrukne adsorbsjonsmiddel for bruk i foreliggende systemer er "Davison 407" silikagel (8-20 mesh stør-relse, U.S. sikt). Lagets adsorbsjonsegenskaper er gitt i artikkelen av Cook et al.

Claims (13)

1. Kontinuerlig osondannelses og gjenvinningssystem, karakterisert ved at det omfatter : (a) innretninger for separering av luft til en oksygenrik gass-strøm og en nitrogenrik gass-strøm, ,(b) minst en corona utladnings osongenerator, (c) innretning for føring av de oksygenrike gass-strømmer gjennom osongeneratoren for å syntetisere oson i lav konsentrasjon, (d) innretninger for å bringe gass-strømmen i kontakt med fast osonadsorbsjonsmiddel for å absorbere oson fra gass-strømmen, (e) innretninger for resirkulering av den osonrike gass-strøm fra innretningen (e) til osongeneratoren, og (f) innretninger for desorbsjon av det adsorberte oson fra adsorbsjonsmidlet ved bruk av den nitrogenrike gass -strøm fra innretningen (a).

2. System ifølge krav 1, karakterisert ved at separeringsinnretningen (a) omfatter et trykksvinge, molekylær sikt luf tfraks jonerings.apparat.

3. System ifølge krav 1, karakterisert ved at minst en varmeveksler er drivbart forbundet med flere coronautladningsgeneratorer.

4. System ifølge krav 1, karakterisert ved . at separeringsinnretningen (a) omfatter en kryogen luft flytendegj ørings og f raks joner ingsinnretning.

5. System ifølge krav 1, karakterisert ved flere faststoffs osonadsorbsjonslag, ventilinnretninger som er drivbart forbundet med et siste osongeneratortrinn og adsorbsjonslagene for retting av den osonholdige oksygengass til et valgt adsorbsjonslag, mens samtidig nitrogenrik gass rettes til et annet adsorbsjonslag, og innretninger for alter-nering av osonadsorbsjon og desorpsjon i hvert av adsorbsjonslagene.

6. System ifølge krav 5, karakterisert ved en hjelpeoksygenseparasjonsinnretning som er drivforbundet me en resirkulerings ledning mellom adsorbsjonslaget <p> g et første osongeneratortrinn, for tilveiebringelsen av ren oksygenrik resirkulasjonsgass.

7. System ifølge krav 5, karakterisert ved at adsorbsjonslagene består i det vesentlige av silikagel med en gjennomsnittlig partikkelstørrelse på minst ca. lOO^ u.

8. Fremgangsmåte for dannelse av oson, karakterisert ved at den omfatter at en oksygenrik gass som inneholder minst 90 vekt-% 0^ føres gjennom minst en elektrisk corona-oson-generator med et stort forhold mellom gassvolum og elektrodeflate for å syntetisere oson i en kpnsentrasjons-stigning ikke større enn 1 vekt-% pr. gjennomgang i gass-strømmen, føring av omgivelsesluft for kjøling av generatoren og for å holde den osonholdige oksygenstrøms temperatur under ca. 100°C, kjøling av den osonholdige oksygengass-strøm til ikke lavere enn -50°C, at den kjølte gass-strøm bringes i kontakt med silikagel for å adsorbere oson bg gjenvinne en oksygenrik gass-strøm, resirkulering av den gjenvundne oksygenrike gass-strøm for osonsyntese, og gjenvinning av adsorbert oson fra silikagelet.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at coronageneratoren.tilfører energi til den oksygenrike gass med en krafttetthet på minst 16 Kw/m 2effektiv elektrodeareal, og at ospnkonsentrasjonen økes med en stig-ning på ca. 0,1 til 0,5 watt pr. gjennomgang.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 9, karakterisert ved at absorbert oson desorberes av nitrogenrik gass fra en luftsepareringsinnretning som. også separerer luft i oksygenrik og nitrogenrike strømmer.

11. Flertrinns fremgangsmåte for dannelse av oson, hvor en oksygengass-strøm kjøles mellom bsoniseringstrinn, karakterisert vedat luft separeres i en oksygengass-strøm og en nitrogengass-strøm, at oksygengass-strømmen føres gjennom flertrinnsbehandlingen og danner en kjølig osonholdig oksygengass-strøm, at den osonholdige oksygengass-strøm bringes i kontakt med silikagel adsorbsjonsmidlet for fjerning av det adsorberte oson, at oksygengass-strømmen resirkuleres til flertrinns osondannelsesbehandlingen, at det osonladede silikageladsorbsjonsmiddel bringes i kontakt, med nitrogengass fra luftseparas jonstrinnet for å des <p> rbere oson, og at det gjenvinnes en nitrogen-oson gassblanding.

12. System ifølge krav 1, karakterisert v<éd at innretningen for kjøling av den osonholdige oksygenrike gass e r drivforbundet med innretningen (c) og med kontakt-innretningen (d).

13. Kontinuerlig fremgangsmåte for dannelse og separering av oson, karakterisert ved ■at den omfatter følgende trinn: (a) separering av luft til en nitrogenrik strøm av en oksygenrik strøm, (b) føring av den oksygenrike strøm gjennom en oson- generator for å oppnå en gassblanding. som inneholder oksygen og oson, (c) ,at den gassformede blanding fra trinn (b) bringes i kontakt med et valgt adsorbsjonsmiddel for å adsorbere oson, mens oksygen føres gjennom, (d) resirkulering av oksygenholdig gas fra trinn (c) til trinn (b), og (e) at oson desorberes fra adsorbsjonsmidlet ved føring av nitrogenrik gass fra trinn (a) for å oppnå en blandet nitrogen/oson produktstrøm.