Способ синтеза озона

Изобретение относится к электротехнологии и может быть использовано при проектировании озонаторных установок. Способ синтеза озона включает подготовку, охлаждение кислородсодержащего газа и воздействие на него электрического барьерного разряда. Одновременно с воздействием электрического барьерного разряда воздействуют на кислородсодержащий газ потоком электронов и ультрафиолетовым излучением с длиной волны λ в диапазоне: λ=120÷180 нм от источника оптического излучения, возбуждаемого электрическим барьерным разрядом в эксимерном или эксиплексном газе с параметрами Е/р в диапазоне: Е/р=0,01÷0,17 В/(Па·мм), где Е - напряженность электрического поля в разряде, р - давление эксимерного или эксиплексного газа. Изобретение снижает энергозатраты на синтез озона. 1 ил.

 

Изобретение относится к электротехнологии и может быть использовано при проектировании новых озонаторных установок повышенной производительности со сниженными энергозатратами на синтез озона.

Известен способ синтеза озона из кислородсодержащего газа, заключающийся в подготовке, охлаждении кислородсодержащего газа и воздействии на кислородсодержащий газ электрического разряда (а.с. СССР 941276, МКИ С01В 13/11. Способ озонирования воздуха./Лях А.А., Лях А.А. и др. Заявл. 30.10.78, опубл. 25.01.80. БИ №3).

Недостатком способа синтеза озона являются высокие энергозатраты на синтез озона, что обусловлено сравнительно низкой энергетической эффективностью, примененной в известном способе формы электрического разряда. Примененная форма электрического разряда характеризуется малым выходом озона.

Известен способ синтеза озона из кислородсодержащего газа, заключающийся в воздействии на кислородсодержащий газ электрического барьерного разряда (Филиппов Ю.В, Вобликова В.А., Пантелеев В.И. Электросинтез озона. - М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1987. - С.45).

Недостатком способа синтеза озона являются высокие энергозатраты на синтез озона, что обусловлено сравнительно низкой энергетической эффективностью примененной в известном способе формы электрического барьерного разряда. Примененная форма электрического барьерного разряда характеризуется малым выходом озона. Отсутствие подготовки и охлаждения кислородсодержащего газа также повышает энергозатраты на синтез озона.

Известен способ синтеза озона из кислородсодержащего газа, заключающийся в подготовке, охлаждении кислородсодержащего газа и воздействии на кислородсодержащий газ электрического барьерного разряда (Лунин В.В., Попович М.П., Ткаченко С.Н. Физическая химия озона. - М.: Изд-во МГУ, 1998. - С.65).

Данный способ синтеза озона из кислородсодержащего газа является наиболее близким по технической сущности к изобретению и рассматривается в качестве прототипа.

Недостатком способа синтеза озона являются высокие энергозатраты на синтез озона, что обусловлено сравнительно низкой энергетической эффективностью, примененной в известном способе формы электрического барьерного разряда. Примененная форма электрического барьерного разряда характеризуется малым выходом озона.

Изобретение направлено на решение задачи снижения энергозатрат на синтез озона, что является целью изобретения.

Указанная цель достигается тем, что в способе синтеза озона из кислородсодержащего газа, заключающимся в подготовке, охлаждении кислородсодержащего газа и воздействии на кислородсодержащий газ электрического барьерного разряда, одновременно с воздействием электрического барьерного разряда воздействуют на кислородсодержащий газ потоком электронов и ультрафиолетовым излучением с длиной волны λ в диапазоне: λ=120÷180 нм от источника оптического излучения, возбуждаемого электрическим барьерным разрядом в эксимерном или эксиплексном газе с параметрами Е/р в диапазоне: Е/р=0,01÷0,17 В/(Па·мм), где Е - напряженность электрического поля в разряде, р - давление эксимерного или эксиплексного газа.

Существенным отличием, характеризующим изобретение, является снижение энергозатрат на синтез озона. Это обеспечивается изменением формы электрического барьерного разряда в кислородсодержащем газе путем его интенсификации ультрафиолетовым излучением в диапазоне длин волн 120÷180 нм от вспомогательного барьерного разряда в эксимерном или эксиплексном газе, увеличением полезной части энерговклада в электрический разряд за счет изменения формы барьерного разряда в кислородсодержащем газе.

Снижение энергозатрат на синтез озона является полученным техническим результатом, обусловленным новыми действиями в способе синтеза озона, порядком их осуществления, примененной новой формой электрического барьерного разряда, характеризующейся большей энергетической эффективностью и большим выходом озона, то есть отличительными признаками. Поэтому отличительные признаки заявляемого способа синтеза озона являются существенными.

Приведен чертеж генератора озона, поясняющий принцип синтеза озона из кислородсодержащего газа.

Способ синтеза озона осуществляется следующими действиями. Кислородсодержащий газ подвергается предварительной подготовке (по составу, а также очистке и влагоотделению) и охлаждению. Далее на кислородсодержащий газ одновременно воздействуют электрическим барьерным разрядом, а также потоком электронов и ультрафиолетовым излучением с длиной волны λ в диапазоне: λ=120÷180 нм от источника оптического излучения, возбуждаемого электрическим барьерным разрядом в эксимерном или эксиплексном газе с параметрами Е/р в диапазоне: Е/р=0,01÷0,17 В/(Па·мм), где Е - напряженность электрического поля в разряде, р - давление эксимерного или эксиплексного газа.

Сочетание факторов обуславливает их синергическое действие и существенно увеличивает достижимый выход озона. Вспомогательный барьерный разряд в эксимерном или эксиплексном газе с параметрами Е/р в диапазоне: Е/р=0,01÷0,17 В/(Па·мм), где Е - напряженность электрического поля в разряде, р - давление эксимерного или эксиплексного газа, является источником интенсивного ультрафиолетового излучения. Барьерный разряд в кислородсодержащем газе интенсифицируется ультрафиолетовым излучением барьерного разряда в эксимерном или эксиплексном газе. Важную роль играют процессы фотоионизации, фотодиссоциации молекул кислорода и фотосинтеза молекул озона при воздействии ультрафиолетового излучения с длиной волны λ в диапазоне: λ=120÷180 нм.

Генератор озона в рассматриваемом варианте имеет конструкцию с плоскими электродами. Направление потока кислородсодержащего газа через разрядный промежуток показано стрелкой. Принципиально система электродов генератора озона может содержать большое число чередующихся плоских электродов, или иметь цилиндрическую конструкцию. Принцип работы генератора озона и форма электрического разряда при этом не изменяются (в обеих частях разрядного промежутка генератора озона возбуждается барьерный разряд).

Генератор озона работает следующим образом. Кислородсодержащий газ проходит через разрядный промежуток в направлении, указанном стрелкой. Под действием напряжения источника переменного тока между электродами генератора озона в обеих частях разрядного промежутка возбуждается электрический барьерный разряд. Электрический разряд имеет структуру отдельных микроразрядов, равномерно распределенных по поверхностям диэлектрических слоев. В микроразрядах в части разрядного промежутка в потоке кислородсодержащего газа происходит диссоциация молекул кислорода. Дополнительным фактором, обуславливающим процессы диссоциации молекул кислорода, является воздействие на кислородсодержащий газ потока электронов и интенсивного ультрафиолетового излучения в диапазоне длин волн 120÷180 нм, генерируемого во вспомогательном барьерном разряде в другой части разрядного промежутка, отделенной от первой части дополнительным диэлектрическим слоем, оптически прозрачным для ультрафиолетового излучения указанных длин волн. В диапазоне длин волн ультрафиолетового излучения 120÷180 нм происходит интенсивное поглощение излучения молекулярным кислородом. Озон почти во всем указанном диапазоне длин волн поглощает слабее кислорода. Часть разрядного промежутка, в котором возбуждается вспомогательный барьерный разряд, заполняется эксимерным или эксиплексным газом, например, гелием, аргоном или криптоном. Барьерный разряд в этих газах является эффективным генератором ультрафиолетового излучения в диапазонах длин волн 120÷180 нм. Ультрафиолетовое излучение в диапазоне длин волн 120÷180 нм интенсифицирует процессы диссоциации молекул кислорода и барьерный разряд в части разрядного промежутка, через который проходит поток кислородсодержащего газа. Образовавшиеся в результате диссоциации атомы кислорода при столкновениях с молекулами кислорода образуют молекулы озона. Одновременно происходит и обратная реакция разложения озона в электрическом разряде, под действием ультрафиолетового излучения барьерного разряда в потоке кислородсодержащего газа, потока электронов и температуры. Технологические условия проведения синтеза озона обеспечиваются такими, что процесс образования озона в части разрядного промежутка в потоке кислородсодержащего газа превалирует над процессом его разложения. В результате, на выходе из разрядного промежутка кислородсодержащий газ имеет в смеси заданное количество озона. Заданная концентрация озона определяется электрическим режимом генератора озона, качеством подготовки и очистки кислородсодержащего газа, а также условиями охлаждения элементов разрядного промежутка генератора озона и кислородсодержащего газа, интенсивностью потока электронов и длинами волн ультрафиолетового излучения вспомогательного барьерного разряда в эксимерном или эксиплексном газе.

Система электродов с диэлектрическими слоями может быть выполнена как несимметричной, так и симметричной, то есть с двумя дополнительными диэлектрическими слоями, отделяющими части разрядного промежутка, в которых возбуждается вспомогательный барьерный разряд, от части, через которую проходит поток кислородсодержащего газа. Один из электродов может быть также выполнен без диэлектрического слоя из металла или сплава, стойкого к воздействию электрического разряда и химически активных веществ и радикалов, образующихся при электрическом разряде в кислородсодержащем газе, например из титана, алюминия или нержавеющей стали. Дополнительные диэлектрические слои могут быть изготовлены, например, из кристаллического кварца, сапфира, супразила. Указанные материалы пропускают ультрафиолетовое излучение с длинами волн 120÷180 нм. Принципиально при реализации заявляемого способа синтеза озона дополнительные диэлектрические слои могут не применяться (барьерный разряд в заданной смеси газов).

По сравнению с прототипом при использовании заявляемого способа синтеза озона существенно снижаются энергозатраты на синтез озона. Использование заявляемого способа синтеза позволяет изменить форму электрического разряда в кислородсодержащем газе. В части разрядного промежутка заявляемого генератора озона, через которую проходит поток кислородсодержащего газа, возбуждается барьерный разряд, обеспечивающий больший энергетический выход озона по сравнению с барьерным разрядом в прототипе. Больший энергетический выход озона в барьерном разряде заявляемого способа синтеза озона обусловлен интенсификацией барьерного разряда в потоке кислородсодержащего газа потоком электронов и ультрафиолетовым излучением вспомогательного барьерного разряда в газе с длинами волн 120÷180 нм, дополнительными процессами фотоионизации, фотодиссоциации кислорода и фотосинтеза озона в потоке кислородсодержащего газа. Выход озона при использовании заявляемого способа синтеза озона существенно повышается. В целом энергозатраты на синтез озона при использовании заявляемого способа синтеза озона могут быть снижены на 20÷30%.

Способ синтеза озона из кислородсодержащего газа, заключающийся в подготовке, охлаждении кислородсодержащего газа и воздействии на кислородсодержащий газ электрического барьерного разряда, отличающийся тем, что одновременно с воздействием электрического барьерного разряда воздействуют на кислородсодержащий газ потоком электронов и ультрафиолетовым излучением с длиной волны λ в диапазоне λ=120÷180 нм от источника оптического излучения, возбуждаемого электрическим барьерным разрядом в эксимерном или эксиплексном газе с параметрами Е/р в диапазоне Е/р=0,01÷0,17 В/(Па·мм), где Е - напряженность электрического поля в разряде, р - давление эксимерного или эксиплексного газа.