Устройство для синтеза озона



Устройство для синтеза озона
Устройство для синтеза озона
Устройство для синтеза озона
Устройство для синтеза озона
Устройство для синтеза озона

 

C25B11/00 - Электролитические способы; электрофорез; устройства для них (электродиализ, электроосмос, разделение жидкостей с помощью электричества B01D; обработка металла воздействием электрического тока высокой плотности B23H; обработка воды, промышленных и бытовых сточных вод или отстоя сточных вод электрохимическими способами C02F 1/46; поверхностная обработка металлического материала или покрытия, включающая по крайней мере один способ, охватываемый классом C23 и по крайней мере другой способ, охватываемый этим классом, C23C 28/00, C23F 17/00; анодная или катодная защита C23F; электролитические способы получения монокристаллов C30B; металлизация текстильных изделий D06M 11/83; декоративная обработка текстильных изделий местной

Владельцы патента RU 2600475:

Крамаренко Александр Евгеньевич (RU)
Горбатский Юрий Васильевич (RU)
Сторчай Евгений Иванович (RU)
Крамаренко Евгений Иванович (RU)

Изобретение относится к технологическому оборудованию, предназначенному для использования в производстве озонаторных установок. Устройство состоит из, по меньшей мере, одной электродной системы, включающей два подключенных к источнику питания переменного тока паяных пластинчато-ребристых электрода (ПРЭ) и размещенный между ними с заданной величиной разрядного промежутка средний ПРЭ. Каждый из крайних ПРЭ состоит из двух дисковых мембран, каждая с центральным отверстием для выхода синтезированного озона и отбортовкой по внешнему и внутреннему диаметрам для формирования электрического разряда в пределах активной зоны электрода, наружного и внутреннего проставочных колец, а также размещенной между проставочными кольцами во внутренней полости электрода и имеющей тепловой контакт с мембраной насадки. Средний ПРЭ состоит из двух дисковых мембран без центрального отверстия и с отбортовкой по внешнему диаметру каждая, а также из имеющих тепловой контакт с мембраной наружного проставочного кольца и насадки, размещенной во внутренней полости электрода. Мембраны всех указанных ПРЭ выполнены из металла или сплава с вентильными свойствами. Функцию диэлектрического барьера на электродах со стороны, обращенной к разрядному промежутку, выполняет сформированный на их наружных поверхностях наноструктурированный оксидный слой из металла или сплава с вентильными свойствами. Технический результат: повышение производительности, получение высокой и сверхвысокой концентрации озона при минимальных энергозатратах. 5 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к технологическому оборудованию, предназначенному для использования в производстве озонаторных установок.

Известен (Патент RU №2322386 С2, опубл. 20.04.2008 г., бюл. №11), принятый за прототип, ГО с электродами, состоящими из мембран в виде герметичной полой тонкостенной конструкции со штуцерами для подвода и отвода теплоносителя. Мембраны изготовлены из металла или сплава с вентильными свойствами, и на их поверхности создан оксидный слой из того же металла, выполняющий со стороны, обращенной к разрядному промежутку, функцию диэлектрического барьера. Применение металлов с вентильными свойствами для изготовления мембран позволяет, во-первых, заменить дорогостоящую нержавеющую сталь на более экономичный конструкционный материал, во-вторых, способствует уменьшению энергозатрат на синтез озона, поскольку в отличие от высокотемпературного эмалирования позволяет создавать на основе этого же металла более тонкий, сформированный при нормальной температуре, оксидный барьерный слой с высокими диэлектрическими свойствами.

Недостатками этой конструкции являются:

- проблематичность создания тонкостенных электродов с повторяемыми характеристиками и обеспечения расчетной эквидистантности разрядного промежутка между ними, особенно при малой величине зазора;

- отсутствие в электродах средств повышения эффективности их охлаждения;

- недостаточный уровень качества и надежности присоединения штуцеров в зоне стыка мембран.

Указанные недостатки электродов устранены в пластинчато-ребристой конструкции электрода (ПРЭ) озонаторной установки (Патент RU №2509180 С2, МПК C25B 11/00, опубл. 19.03.2014 г., бюл. №7). ПРЭ представляет собой полую герметичную (цельнопаяную) конструкцию со штуцерами для входа и выхода теплоносителя, состоящую из двух мембран с центральным отверстием и отбортовкой по внешнему и внутреннему диаметрам каждая, выполненной для формирования электрического разряда в пределах активной зоны электрода, наружного и внутреннего проставочных колец, определяющих высоту электрода, а также из размещенной между ними во внутренней полости электрода и имеющей тепловой контакт с мембраной насадки с развитой поверхностью теплообмена. Проставочные кольца и насадка при этом имеют одинаковую высоту, а указанные штуцера расположены диаметрально на наружном простановочном кольце. Тепловой контакт внутренних поверхностей мембран с насадкой и проставочными кольцами, а также герметичность электрода обеспечивают вакуумной пайкой. Мембраны электрода изготовлены из металла или сплава с вентильными свойствами, а на их наружных поверхностях создан оксидный слой из того же металла, выполняющий со стороны, обращенной к разрядному промежутку, функцию диэлектрического барьера.

К недостаткам конструкции известного ПРЭ следует отнести: а) недостаточную поверхность теплообмена, которая необходима для охлаждения электродов при синтезе озона высоких и сверхвысоких концентраций; и б) затруднительность качественной пайки штуцеров электрода.

Недостатком же конструкции основанного на двухэлектродной схеме ГО с такими (ПРЭ) электродами является то, что синтез озона происходит в одном разрядном промежутке (между двумя электродами). Количество зазоров (разрядных промежутков) в ГО определяется соотношением:

n=N-1,

где n - количество зазоров, N - число пар электродов.

Поэтому для повышения производительности такого ГО приходится увеличивать число пар электродов, что приводит, в том числе, к увеличению металлоемкости конструкции.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в создании экономичного при изготовлении и эксплуатации ГО для озонаторных установок широкого спектра применения.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении производительности ГО и, соответственно, возможности получения высокой и сверхвысокой концентрации озона при минимальных энергозатратах.

Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство для синтеза озона представляет собой систему, состоящую из двух цилиндрических алюминиевых пластинчато-ребристых электродов (ПРЭ), между которыми с заданной величиной разрядного промежутка (определяется высотой дистанцирующих изолирующих прокладок) размещен третий электрод в виде диска, при этом каждый из указанных цилиндрических ПРЭ системы подключен к источнику питания переменного тока и представляет собой полую герметичную конструкцию со штуцерами для подвода и отвода охлаждающей жидкости, состоящую из двух дисковых мембран с центральным отверстием и отбортовкой по внешнему и внутреннему диаметрам каждая для формирования электрического разряда в пределах активной зоны электрода, наружного и внутреннего проставочных колец, а также из размещенной между ними во внутренней полости электрода и имеющей тепловой контакт с мембраной насадки (далее - теплообменная насадка), причем мембраны указанных цилиндрических ПРЭ и дисковый электрод выполнены из металла или сплава с вентильными свойствами, а на их наружных поверхностях создан наноструктурированный оксидный слой из того же металла или сплава, выполняющий со стороны, обращенной к разрядному промежутку, функцию диэлектрического барьера.

В отличие от известных двуэлектродных схем заявленное устройство основано на трехэлектродной схеме. В этом случае количество зазоров (разрядных промежутков) между электродами увеличивается в 2 раза, поэтому при напряжении зажигания и выше него синтез озона в такой системе происходит одновременно в двух разрядных промежутках, что, соответственно, приводит к возрастанию производительности ГО при одной и той же величине приложенного напряжения. ГО большой производительности может иметь десятки и сотни таких систем.

Заявленное устройство имеет низкую удельную металлоемкость.

Возможность получения высокой (до 150 г/м3) и сверхвысокой (до 250 г/м3) концентрации озона при минимальных энергозатратах появляется наряду с оптимизацией выходных параметров озонатора (концентрация озона; расход рабочего газа; производительность ГО и удельные энергозатраты на синтез).

Вышеуказанный технический результат достигается при реализации любой из двух схем подключения электродов системы к источнику питания:

1) все электроды системы подключены к источнику питания;

2) крайние электроды системы подключены к источнику питания, третий (средний) дисковый электрод не подключен к источнику питания и является биполярным.

Качество и эксплуатационная надежность заявленной системы ГО обусловлена конструкцией используемых в нем электродов, материалом дисковых мембран электродов и их покрытием.

На поверхности всех трех электродов системы электрохимическим путем (оксидирование) сформировано контролируемое по толщине и свойствам технологическим процессом его образования наноструктурированное анодное оксидное барьерное покрытие (АОП) из металла или сплава с вентильными свойствами, которое имеет уникальную наноразмерную ячеисто-пористую структуру, что заставляет относиться к нему не как к изолятору на поверхности электродов ГО, а как к барьеру n-типа (является полупроводником n-типа). Оптимальное соотношение температуры электролита и плотности тока оксидирования обеспечивает минимальное изменение диаметра пор АОП при постоянном периоде структуры оксида и, тем самым, позволяет создать условия для образования анодного оксида с повторяемой упорядоченной структурой. При одинаковых условиях оксидирования (гальваностатическое анодирование в 3% растворе щавелевой кислоты (C2H2O4) в течение 3 ч при плотности тока 2 А/дм2 и температуре электролита 25°C) толщина (δ), tgθ (tg угла диэлектрических потерь) и ε (диэлектрическая проницаемость) АОП, формируемого на поверхности электрода, отличаются (см. таблицу 1) в зависимости от материала мембраны - типа металла или сплава с вентильными свойствами.

Отличительной особенностью используемых в системе электродов с АОП является их высокая эксплуатационная надежность, обусловленная возможностью самопроизвольного восстановления их работоспособности, если в результате аварийного повышения напряжения происходит пробой АОП. Механизм обнаруженного явления «залечивания» АОП в местах пробоя происходит в результате химического окисления алюминия при повторном включении рабочего напряжения. Это подтверждается большими отрицательными значениями энергии Гиббса соответствующих реакций:

Кроме того, после удаления травлением с пробитого электрода АОП на его поверхности в зоне пробоя возникают оксиды кристаллического Al2O3, микротвердость которых значительно выше микротвердости аморфного оксида АОП.

Для сравнения в таблице 2 приведены параметры синтеза озона, полученные на лабораторном ГО с электродами, имеющими а) стеклоэмалевый диэлектрический барьер и б) АОП. Табличные данные свидетельствуют о преимуществах электродов с АОП.

Диаметр используемого в системе третьего дискового электрода для формирования электрического разряда в пределах активной зоны электродов должен быть на 5-10 мм больше диаметра цилиндрических ПРЭ системы.

В частном случае исполнения изобретения в качестве третьего электрода может быть применен ПРЭ с диаметром, равным двум другим электродам системы, состоящий из двух дисковых мембран без центрального отверстия и с отбортовкой по внешнему диаметру каждая для формирования электрического разряда в пределах активной зоны электрода, а также из имеющих тепловой контакт с мембраной наружного проставочного кольца и размещенной во внутренней полости электрода теплообменной насадки. Конструкция такого ПРЭ (далее - дисковый ПРЭ) отличается от конструкции цилиндрического ПРЭ выполнением мембран в виде сплошного диска с отбортовкой только по наружному диаметру, отсутствием внутреннего простановочного кольца и, соответственно, увеличенной поверхностью теплообменной насадки, которая имеет форму сплошного диска. В случае применения в качестве среднего электрода дискового ПРЭ температура рабочего газа в разрядных промежутках ниже, чем при использовании дискового электрода, поэтому параметры синтеза озона лучше, особенно при высоких его концентрациях или большой производительности ГО.

Преимуществами используемых в заявленной системе конструкций ПРЭ (цилиндрических и дисковых) являются их повторяемые геометрические характеристики, обеспечивающие гарантированную их эквидистантность при сборке системы электродов с минимальным разрядным промежутком (от 0,1 мм) и эффективное охлаждение водой или коррозионно-неактивными хладагентами за счет высокой теплопроводности АОП при малой толщине (до 100 мкм).

Эффективность охлаждения мембран ПРЭ можно улучшить за счет увеличения поверхности теплообменной насадки. Профиль используемых в ПРЭ теплообменных насадок может быть оптимизирован как за счет увеличения количества составляющих их слоев, так и за счет их конфигурации. Так, например, в дисковом ПРЭ, который в частном случае выполнения изобретения может быть использован в системе в качестве среднего электрода, поверхность контакта теплообменной насадки с мембранами увеличена за счет выполнения ее в форме диска (сплошного круга).

За счет увеличения высоты ПРЭ, которая определяется высотой простановочных колец, возможно обеспечить более качественную пайку штуцеров электрода.

Для пояснения сущности заявленного изобретения представлены следующие графические материалы:

- фиг. 1 - схема устройства для синтеза озона;

- фиг. 2 - цилиндрический ПРЭ ГО (поперечный разрез);

- фиг. 3 - схема подключения электродов устройства к источнику питания: а) - все электроды подключены к источнику питания; б) - третий (средний) электрод не подключен к источнику питания и является биполярным.

В качестве доказательства осуществления заявленного изобретения с достижением вышеуказанного технического результата приводится описание конкретной, но не единственно возможной конструкции заявленного ГО, основанного на трехэлектродной схеме.

На фиг. 1 дана схема ГО, который представляет собой систему, состоящую из двух паяных цилиндрических алюминиевых ПРЭ 1, между которыми с заданной величиной разрядного промежутка 2, определяемого высотой дистанцирующих изолирующих прокладок 3, размещен третий (средний) 4 электрод. Схема подключения электродов к источнику питания (все три электрода подключены к источнику питания) показана на фиг. 3 а).

Каждый из крайних в системе цилиндрических ПРЭ 1 представляет собой полую герметичную цельнопаяную конструкцию, которая состоит (фиг. 2) из двух мембран 5 с центральным отверстием 6 для выхода озона (O3) после электросинтеза озона из кислорода (O2) и с отбортовками 7, 8 по внешнему и внутреннему диаметрам соответственно каждая, выполненными для формирования электрического разряда в пределах активной зоны электрода; наружного 9 и внутреннего 10 проставочных колец, определяющих высоту электрода, а также из размещенной между ними и имеющей тепловой контакт с мембранами 5 насадки 11 с развитой поверхностью теплообмена. Высота проставочных колец 9 и 10 при этом равна высоте теплообменной насадки 11. Тепловой контакт внутренних поверхностей мембран 5 с теплообменной насадкой 11 и проставочными кольцами 9, 10, а также герметичность электрода обеспечивают вакуумной пайкой.

В качестве среднего 4 электрода применяется паяный алюминиевый дисковый ПРЭ с диаметром, равным двум крайним ПРЭ, но с увеличенной поверхностью теплообменной насадки 10 за счет использования мембран 5 в виде сплошного диска каждая (без центрального отверстия).

Мембраны 5 всех ПРЭ системы изготовлены из сплава АМцС. На наружных поверхностях всех трех электродов (1-4) и (4-1) электрохимическим путем сформировано наноструктурированное АОП (не показано), которое является полупроводником n-типа и выполняет со стороны, обращенной к разрядному промежутку, функцию диэлектрического барьера.

К внутренней поверхности каждой из мембран 5 примыкают плакированные припоем с двух сторон перфорированные алюминиевые диски (не показаны), которые необходимы для формирования паяного соединения мембран 5 с теплообменной насадкой 11 и простановочными кольцами 9, 10.

Штуцера 12 для подвода и отвода охлаждающей жидкости из электрода расположены диаметрально на наружном 9 простановочном кольце.

При напряжении зажигания и выше него синтез озона происходит одновременно в двух разрядных промежутках - между каждой парой электродов.

Технология изготовления входящих в описываемую систему ПРЭ (цилиндрических и дискового) обеспечивает:

- повторяемые геометрические характеристики электродов;

- гарантированную эквидистантность зазора при сборке в ГО с минимальным разрядным промежутком (от 0,1 мм);

- эффективное охлаждение за счет высокой теплопроводности АОП при его малой толщине и оптимизации профиля теплообменных насадок 11, размещенных во внутренней полости ПРЭ 1;

- низкую удельную металлоемкость;

- возможность восстановления работоспособности электрода в случае пробоя покрытия;

- сохранение свойств диэлектрического барьера на протяжении всего срока эксплуатации.

1. Устройство для синтеза озона, характеризующееся тем, что состоит из, по меньшей мере, одной электродной системы, включающей:
два подключенных к источнику питания переменного тока паяных пластинчато-ребристых электрода (ПРЭ), каждый из которых состоит из двух дисковых мембран, каждая с центральным отверстием для выхода синтезированного озона и отбортовкой по внешнему и внутреннему диаметрам для формирования электрического разряда в пределах активной зоны электрода, наружного и внутреннего проставочных колец, а также из размещенной между проставочными кольцами во внутренней полости электрода и имеющей тепловой контакт с мембраной насадки, и
размещенный между ними с заданной величиной разрядного промежутка средний ПРЭ, состоящий из двух дисковых мембран без центрального отверстия и с отбортовкой по внешнему диаметру каждая, а также из имеющих тепловой контакт с мембраной наружного проставочного кольца и насадки, размещенной во внутренней полости электрода,
при этом мембраны всех указанных ПРЭ выполнены из металла или сплава с вентильными свойствами, а функцию диэлектрического барьера на электродах со стороны, обращенной к разрядному промежутку, выполняет сформированный на их наружных поверхностях наноструктурированный оксидный слой из металла или сплава с вентильными свойствами.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средний ПРЭ системы подключен к источнику питания.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средний ПРЭ системы отключен от источника питания, являясь биполярным.

4. Устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что каждый из крайних ПРЭ системы представляет собой полую герметичную конструкцию со штуцерами для подвода и отвода охлаждающей жидкости.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что штуцера электродов расположены диаметрально на наружном простановочном кольце.

6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что тепловой контакт внутренних поверхностей мембран с теплообменной насадкой и проставочными кольцами, а также герметичность электрода обеспечиваются вакуумной пайкой.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу получения ванилина. Способ включает электрохимическое окисление водной лигнинсодержащей суспензии или раствора на аноде, причем в качестве анода используют серебряный электрод.

Группа изобретений предназначена для жизнеобеспечения пилотируемых космических полетов на Марс. Физико-химическая секция предназначена для получения кислорода, воды, оксида углерода, аммиака и удобрений на основе азота.

Изобретение относится к газопламенной обработке материалов водородно-кислородной смесью. Электролизер содержит блок дистанцированных друг от друга электродов с отверстиями для прохода водородно-кислородной смеси и электролита.

Изобретение относится к области электрохимического получения активных форм наночастиц оксидов металлов. Электрохимический способ получения наноразмерных структур оксида никеля (II) включает окисление анода в ионной жидкости в атмосфере воздуха.

Изобретение относится к однокамерной ячейке для электрохимических систем, содержащей корпус, крышку, герметизирующее кольцо, металлический поршень с металлической пружиной, разнополярные электроды с выводами для подключения к электрическим приборам и средства крепления.
Изобретение относится к космическим двигательным системам и может использоваться при создании в будущем орбитального заправочного комплекса (ОЗК). Способ включает доставку на ОЗК воды и получение из неё электролизом водорода и кислорода.
Изобретение относится к космическим двигательным системам и может использоваться при создании в будущем орбитального заправочного комплекса (ОЗК) или лунной базы.
Изобретение относится к способе получения водного раствора гипохлорита натрия, включающему электролиз водного раствора хлорида натрия в проточном электролизере с неразделенными анодным и катодным пространствами, при этом осуществляют электролиз исходного водного раствора хлорида натрия, после чего проводят электролиз полученного электролита при разбавлении его водой и отбирают в качестве целевого продукта полученный в ходе электролиза водный раствор гипохлорита натрия.

Изобретение относится к устройствам для электрохимической обработки растворов. Электрохимический реактор выполнен из одной или более помещенных в корпус 1 проточных электрохимических модульных ячеек, каждая из которых содержит вертикально расположенные катод 6, установленный в центре корпуса, смонтированную вокруг него керамическую диафрагму 7, равноудаленные от катода противоэлектроды - аноды 5, расположенные вокруг катода с диафрагмой с образованием электродных пар типа «катод-анод».

Изобретение относится к способу непроницаемой для газа и жидкостей установки одного или нескольких граничащих друг с другом расходующих кислород электродов в электрохимическую полуячейку.

Изобретение относится к аэроионификационной технике и предназначено для обогащения воздуха лёгкими отрицательными атомарными униполярными ионами кислорода. Воздушный ионизатор содержит источник питания, несущий элемент, например, воздуховод вентиляционной системы, коронирующий и некоронирующий электроды, причём коронирующий «электрод» выполнен из двух параллельных проволок, диаметр одной из которых не превышает 0,20 мм, подвешенной с помощью подвесок к другой укреплённой через изоляторы.

Изобретение относится к системе электродов для генератора озона. Система содержит трубообразный внешний электрод (1), который концентрически и на расстоянии окружает трубообразный диэлектрик (2).

Изобретение относится к области электротехники и направлено на расширение области применения разрядного несимметричного генератора озона. Указанный технический результат достигается тем, что в способе электропитания разрядного несимметричного генератора озона, анодом которого является электрод, покрытый диэлектрическим слоем, а катодом является металлический электрод, задают первый и второй уровни тока и уровень напряжения, периодически пропускают через генератор озона один или несколько импульсов прямого тока от анода к катоду с амплитудой мгновенного значения, не превышающей заданный первый уровень тока, при пропускании импульсов прямого тока контролируют мгновенное напряжение на генераторе озона и при равенстве мгновенного напряжения на генераторе озона заданному уровню напряжения прямой ток прекращают и, далее, однократно или многократно закорачивают генератор озона, при каждом закорачивании контролируют мгновенный обратный ток через генератор озона так, чтобы он не превысил заданный второй уровень тока.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для экономии электроэнергии и повышения надежности генераторов озона барьерно-поверхностного разряда.

Изобретение относится к устройствам малогабаритных озонаторов модульного типа и может быть использован для обработки складов и хранилищ от вредителей, бактерий и микробов, а также в бытовых целях для очистки и обеззараживания жилых помещений.

Озонатор // 2568703
Изобретение относится к технической физике и может быть использовано для озонирования воздуха и кислорода, растворов, обработки озоном различных объектов в биологии, медицине, сельском хозяйстве и промышленности.

Изобретение относится к способу эксплуатации блока генерирования озона. Способ включает стадию, на которой в устройство генерирования озона подают поток содержащего кислород газа и стадию, на которой управляют потоком содержащего кислород газа, и управляют мощностью, которую подают из блока питания в устройство генерирования озона так, чтобы получить из устройства генерирования озона заданный выход озона, и так, чтобы обеспечить уменьшение потребления ресурсов, включая содержащий кислород газ и мощность, подаваемую из блока питания.

Импульсный безбарьерный генератор озона относится к системам получения озона для использования его в технологиях очистки и обеззараживания воды. В импульсном безбарьерном озонаторе, содержащем металлический корпус и размещенную в корпусе электродную систему, содержащую разрядные элементы, каждый из которых состоит из низковольтного и высоковольтного электродов, подключенных к высоковольтному генератору импульсов, корпус содержит две диэлектрические пластины, установленные против друг друга.

Изобретение относится к способам и устройствам защиты генератора озона от пожара при электрическом пробое внутренней изоляции. Техническим результатом является полное вытеснение за короткий промежуток времени кислорода с продуктами горения из внутренней полости генератора озона газом, не поддерживающим горение.

Изобретение относится к устройству для получения озона и направлено на совершенствование схемы электрического питания генератора озона озонаторного комплекса. Озонаторный комплекс содержит высоковольтный высокочастотный источник питания и подключенную к нему ударную емкость, а также подключенный через коммутатор и выполненный в виде многозазорного искрового разрядника генератор озона.
Наверх