DK160814B - Apparat til fremstilling af ozon - Google Patents

Description

i

DK 160814 B

Opfindelsen angår et apparat til fremstilling af ozon ud fra oxygen eller oxygenholdig gas som angivet i krav l's indledning.

Ozon er et meget kraftigt oxidationsmiddel for or-5 ganiske substanser og uorganiske forbindelser, der indeholder grundstoffer med flere oxidationstrin. Ud over mangfoldige anvendelser inden for kemien har ozon i årtier været anvendt ved vandbehandling. De høje investerings- og driftsomkostninger ved ozonfremstillingen begrænser dog 10 anvendelsesmulighederne.

Selv om der teoretisk eksisterer mange muligheder for at fremstille ozon, er den eneste metode, der i praksis har opnået betydning, ozonfremstilling ved stille elektriske udladninger. Dette gælder både for store stationære 15 anlæg og for små transportable anlæg til fremstilling af ozon. Ozonfremstillingsapparater, som arbejder efter dette princip, består i hovedsagen af to elektroder, som er adskilt fra hinanden med et dielektrikum og et gasrum. Samtidig med, at man påtrykker en højspændingsvekselstrøm 20 over elektroderne, lader man oxygen eller oxygenholdig gas strømme gennem gåsrummet. Herved fremkommer der en højspændingsudladning uden gnistdannelse og forekomst af lys mellem elektroderne. Disse højspændingsudladninger medfører ozondannelse. Der findes to ozonfremstillingsapparater, 25 som arbejder efter dette princip, nemlig plade-ozonfremstil-lingsapparater, hvor elektroderne består af parallelle plader, og rør-ozonfremstillingsapparater, hvor elektroderne består af koncentriske rør. Opfindelsen angår sidstnævnte type af ozonfremstillingsapparat.

30 Der kendes talrige konstruktioner af rør-ozonfrem- stillingsapparater, og som typiske konstruktioner kan nævnes DE-PS 1767 109 og DE-OS 3 221 895. Man har gjort sig mange anstrengelser for at forbedre ydeevnen af ozonfremstillingsapparaterne, især ved at forhøje intensi-35 teten af den elektriske feltstyrke. For at opnå dette har man f.eks. gjort elektrodernes overflader ru ved at påføre en belægning, sådan som det f.eks. er vist i DE-PS 1 240 831, eller man har forsynet dielektrikaet

2 DK 160814B

med elektrisk ledende øer, således som det er vist i EP-PS 0019307. DE-OS 2844711 angår et rørozonapparat med trådformet indre elektrode, hvor der til forøgelse af udladningsfladen og feltstyrken findes talrige spidse frem-5 spring på tråden. Fremstillingen af sådanne tråde er bekostelig. Ifølge DE-OS 2634720 er den rørformede indre elektrode til samme formål forsynet med gevindagtigt forløbende fremspring. Fra US-PS 3565776 er det endvidere kendt at udforme den indre elektrode som enkelt tråd. Der 10 er også blevet lavet specialkonstruktioner; f.eks. viser EP-PS 0018318 en inderelektrode bestående af tråd, der er viklet om en cylinderflade, mens yderelektroden på sædvanlig måde er udformet som et rør. DE-PS 156531 viser derimod en spiralviklet yderelektrode og en inderelektrode, 15 der er udformet som et rør eller en stav.

Spiralformede elektroder kræver af konstruktionsmæssige årsager forholdsvis store udladningsrum og fører derved til såvel lave og uens udladningstætheder som lave ozonkoncentrationer. Når yderelektroden er spiralformet, 20 kan der desuden ikke køles med væske, hvis mellemrummet mellem yderelektroden og dielektrikum skal udnyttes som udladningsrum.

De konstruktivt i og fer sig gunstige rørozonappara-ter med tråd- eller stavformet inderelektrode er utilfreds-25 stillende i deres specifikke udbytte i henseende til energi og mængde. I de ozonfremstillingsapparater, der sædvanligvis anvendes i dag, anvendes overvejende højspændingsudladningselektroder. Disse består enten af et metalliseret dielektrikum af f.eks. glas, keramik eller kunststof el-30 ler af metalplader og metalrør, der er belagt med et dielektrikum. Højspændingen bliver pålagt metallaget.

Over for denne højspændingsudladningselektrode er der sædvanligvis anbragt en direkte eller indirekte kølet elektrode, der i visse tilfælde også kan være belagt med 35 en dielektrisk belægning. Den ved gasudladningen dannede varme skal fjernes ved hjælp af kølemidlet, idet ozonudbyttet kan forbedres gennem en god køling, hvorfor man i mange tilfælde forsøger at køle den indre højspændingselektrode ved hjælp af et andet, kostbart kølekredsløb.

Ved de fremherskende konstruktioner kan den ved den 3

DK 160814 B

stille elektriske udladning dannede varme kun fjernes ved diffusion og konvektion ved den kølede, ydre elektrode. På grund af den relativt lille elektriske feltstyrke ved ozonfremstillingen kan gasudladningsstræk-5 ningerne kun forsynes med et relativt stort gasvolumen og med en meget lille strømningshastighed af gassen.

Ved disse små gashastigheder er varmeovergangstallene praktisk taget 0, således at der ikke kan fjernes nogen varme via den strømmende gas. I modsætning til tilfæl-10 det ved plade-ozonfremstillingsapparater er det ved rør-ozonfremstillingsapparater forbundet med store problemer at sikre en eksakt afstand mellem elektroderne.

Dette skyldes først og fremmest afvigelser i målene på rørdiametrene og rørbøjningerne. Således er det selv 15 ved anvendelse af centreringselementer ikke muligt at holde rørafstanden konstant over den samlede længde.

På grund af stivheden i rør, der har en diameter på 30 mm eller mere, er heller ikke en elastisk deformering ved hjælp af centreringselementer mulig. Som følge af disse 20 unøjagtigheder optræder der stærkt forskellige udlad- ningstætheder, der igen fører til en betydelig formindskelse af ozonudbyttet.

Til grund for opfindelsen ligger den opgave, der går ud på at forbedre udladningstæthederne og gasstrøm-25 ningerne i det angivne kendte apparat gennem konstruktive forbedringer, således at den til fremstillingen af ozon krævede specifikke energi formindskes.

Denne opgave løses ifølge opfindelsen ved den i den kendetegnende del af krav 1 angivne konstruktion.

30 3n fordelagtig udoygning af opfindelsen er angivet i underkrave t.

Ved inder- og yderelektrodernes små diametre opnår man en kapacitet, der er mindre end den, der tidligere er opnået ved ozonfremstillingsapparater, hvorved strøm-35 forbruget formindskes. Desuden forhøjes gashastigheden, hvilket medfører, at man opnår en forbedret køling. Da den indre elektrode ifølge opfindelsen kan være udformet

DK 160814B

4 som flere eventuelt tvundne trådagtige stave, kan den ydre elektrodes diameter gøres væsentlig mindre i sammenligning med kendte konstruktioner. Således kan den indre diameter af den ydre elektrode ifølge opfindelsen være nede på 5 5 til 10 mm. Den indre elektrode kan f.eks. bestå af metaltråd med en diameter på fra 0,5 til 3 mm. Denne indre elektrode kan uden videre udsættes for maksimal feltstyrke.

En lille krumningsradius bevirker en større feltstyrke. Rør-ozonfremstillingsapparatet ifølge opfindelsen gør det 10 muligt at bibeholde fordelagtige træk fra kendte konstruktioner. Som dielektrika kan man f.eks. stadig anvende materialer med stor gennemslagsstyrke såsom glas, kunststof, aluminiumoxid eller titanoxid. Den ydre elektrode kan som modelektrode til den indre højspændingselektrode være 15 omgivet af et metalrør med yderligere dielektrikum. Den kan også være fremstillet af et kunststofrør, som på ydersiden bliver omskyllet af et elektrisk ledende fluidum.

Det gennemslagsfaste kunststof udgør herved dielektrikumet.

Den ydre elektrode kan også bestå af et på et kunststof 20 påført metallag.

Opfindelsen skal forklares nærmere ved hjælp af tegningen, hvor fig. 1 viser et apparat med et retlinet forløbende ozonfremstillingselement, og 25 fig. 2 et apparat med et bukket ozonfremstillings element, I figurerne er dele med samme funktion forsynet med ens numre.

I det i fig. 1 viste apparat går højspændingsgennem-30 føringen 1 gennem topstykket 2, der er fremstillet af isolerende, ilt- og ozonbestandigt materiale, over fordelerpladen 3, overføringsfjedrene 4 og klemfjedrene 5 til den indre elektrode 6, der består af metaltråd. Den højspændingsførende indre elektrode 6 er omgivet af dielektrikumet 7 35 og den ydre elektrode 8. Afstandsholderne 9a og 9b sikrer en præcis afstand mellem den indre elektrode 6, dielektri- 5

DK 160814 B

kumet 7 og den ydre elektrode 8. De ydre elektroder 8 er ved enderne sekskantformigt udvidet og svejset sammen uden bundkar.

Apparatet består ialt af fem af indre elektrode 6, 5 dielektrikum 7 og ydre elektrode 8 bestående ozonfremstillingselementer, der er omgivet af kølekapperøret 10. Kølekapperøret 10 er ved sammenskruningerne 17 og 18 forbundet til topstykket 2 og bundstykket 11. Kølevand bliver tilført gennem studserne 12 og løber ud gennem studserne 10 13. Der bliver tilført oxygen gennem tilslutningen 14, og den fremstillede ozon-iltblanding udtages gennem tilslutningen 15. De rør, der danner dielektrikumet 7, støtter sig på en med riller forsynet plade 16 i bundstykket 11.

Oxygenet strømmer ind gennem tilslutningsstykket 14 15 og fordeler sig i topstykket 2. Det strømmer derefter gennem den spalte, der dannes af den indre elektrode 6, dielektrikumet 7 og den ydre elektrode 8. Klemfjedrene 5 og afstandsholderne 9a,9b er udført således, at de muliggør passage af ilten gennem spalten. Som følge af den 20 imellem den indre elektrode 6 og den ydre elektrode 8 stedfindende stille elektriske udladning omdannes en del af den tilstedeværende ilt til ozon. Ozon-iltblandingen samler sig i bundstykket 11, hvorved den i det indre af dielektrikumet 7 strømmende gas gennem riller i pladen 25 16 når ind i bundstykket. Gasblandingen udtages gennem tilslutningsstykket 15. Højspændingen lægges på højspændingsgennemføringen 1, den fordeler sig på fordelerpladen 3 og bliver derfra overført via overføringsfjedrene 4 og klemfjedrene 5, som står i kontakt med de 30 indre elektroder 6, på ialt fem indre elektroder 6. På kendt vis kan et antal af sådanne apparater sammensluttes og drives i parallel drift.

Apparatet ifølge fig. 2 adskiller sig i det væsentlige fra apparatet ifølge fig. 1 ved, at ozonfremstil-35 lingselementet bestående af en indre elektrode 6, dielektrikum 7 og en ydre elektrode 8 er fleksibelt og er anbragt bukket i kølemediet. Den ydre elektrode 8 består 6

DK 160814 B

her af et på den fleksible dielektrikum påført metallag. En præcis afstand bliver igen sikret af en afstandsholder 9a. Topstykket 2 og bundstykket 11 er begge fastgjort på en fælles grundplade 19. Topstykket 2 og bundstykket 11 kan også 5 fremstilles i ét stykke. Navnlig ved sådanne krumme udførelsesformer er det fordelagtigt, at den indre elektrode 6 består af enkelttråde, der er snoet som på et tov, da fleksibiliteten da er optimal.

Som eksemplerne på udførelsesformerne ifølge fig.

10 1 og fig. 2 viser, er apparatet ifølge opfindelsen bil ligt at fremstille, fordi det ikke kræver komplicerede tætninger og centreringsanordninger. Da udladningsrummene er åbne i begge ender, er en intensiv gaskøling mulig. Elektroderne danner smalle, præcise udladnings-15 spalter og har små diametre. Herigennem opstår der høje gashastigheder og en bedre køling. Det er ikke nødvendigt med dyre specialprofiler, og især dielektrikumrørene kan fremstilles ud fra gængse rør af glas, aluminiumoxid eller titanoxid. Også til elektroderne kan der anven-20 des gængse rør og metaltråde, der på forhånd besidder stor præcision. Ved hjælp af afstandsholderen kan man således uden problemer fremstille lange ozonfremstillingselementer med en længde på f.eks. 2,5 m. Ozonfremstillingsappa-ratets samlede mål bliver mindre. I stedet for at anvende 25 dyre, på glas pådampede aluminiumsspejle kan man benytte simpel metaltråd som højspændingselektrode. Selv ved en elektrisk frekvens på kun 50 hertz er det specifikke energiforbrug til fremstilling af 1 kg ozon lavt. Dette kan ses af nedenstående driftsresultater fra et ozonfremstil-30 lingsapparat ifølge opfindelsen: 9 kWh/kg ved en koncentration på 100 g/m3 8 kWh/kg - - - 90 g/m3 7 kWh/kg - - - 70 g/m3 6,7 kWh/Ι kg - - - 60 g/m3 35 6,3 kWh/Ι kg - - 50 g/m3 6,0 kWh/Ι kg - - 45 g/m3

DK 160814 B

7 Særlig overraskende er de springvise forbedringer i driftsresultaterne for ozonapparatet ifølge opfindelsen i sammenligning med apparater med kun en eneste trådformet inderelektrode under iøvrigt ens driftsbetingelser, jvfr.

5 følgende tabel:

Strøm- Længde af Inder- Energibehov Ozonudbytte frekvens ozonapparatet elektrode pr. g ozon pr. rør_ j^q 50 Hz 610 mm 1 tråd på 7,2 Wh/g 0,71 g/rør 3 mm 0 50 Hz 610 mm 5 mm 0 8,3 Wh/g 0,71 g/rør 50 Hz 610 mm 4 tråde 6,7 Wh/g 0,71 g/rør på hver 2 mm 0 50 Hz 1270 mm 1 tråd på 12,0 Wh/g 1,44 g/rør 3 mm 0 20 50 Hz 1270 mm 5 mm 0 11,5 Wh/g 1,44 g/rør 50 Hz 1270 mm 4 tråde 7,5 Wh/g 1,43 g/rør på hver 2 mm 0 650 Hz 1270 mm 1 tråd på 11,5 Wh/g 3,42 g/rør 25 3 mm 0 650 Hz 1270 mm 5 mm 0 8,8 Wh/g 4,20 g/rør 650 Hz 1270 mm 4 tråde 8,0 Wh/g 5,48 g/rør 30 på hver 2 mm 0 I alle tilfælde fås en ozonkoncentration på *·—P 9 -5— m 02+03'

Af tabellen fremgår, at i tilfælde af et ozonapparat på 610 mm længde og en strømfrekvens på 50 Hz og samme ozonudbytte pr.

35 rør, har ozonapparatet med en indre elektrode af 4 tråde med hver 2 mm diameter det laveste energibehov. Dette lave energibehov forøges kun ubetydeligt fra 6,7 Wh/g til 7,5 Wh/g, når længden af apparatet praktisk taget fordobles til 1270 mm. Ved

DK 160814 B

8 apparater med massiv inderelektrode stiger energibehovet derimod væsentligt. Dette gælder også i det højere frekvensområde, som det ses af resultaterne ved 650 Hz.

5 10 15 20 25 30 35

Claims (2)

1. Apparat til fremstilling af ozon ud fra oxygen eller oxygenholdig gas ved stille elektrisk udladning i et af gassen gennemstrømmet mellemrum, der i det væsentlige bliver dannet af en rørformet ydre elektrode (8) og en af 5 den ydre elektrode koncentrisk omsluttet spændingsførende indre elektrode (6), hvor der i mellemrummet er anbragt et dielektrikum (7), som adskiller elektroderne, kendetegnet ved, at den indre elektrode består af flere massive trådagtige cylindriske metalstave, og at forholdet 10 mellem den ydre elektrodes diameter og den indre elektrodes diameter er større end 2.

2. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den indre elektrode består af flere tvundne stave. 15 20 25 30 35