Способ получения озона и устройство для его осуществления

КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ питьевых и сточных вод и для подготовки технической воды в промышленности. Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа получения озона и устройства для его осуществления, обеспечивающего ведение процессов образования озона и взаимодействия его с обрабатываемой средой в оптимальном режиме с малыми энергозатратами. Это достигается тем, что возбуждают коронный разряд между коронирующей иглой и внешним электродом при пониженном давлении кислородсодержащего газа, причем внешним электродом служит обрабатываемый объект,электрически соединенный со вторым полюсом источника питания.(72) Абишев Майдан Айтмахамбетович Бахтаев Шабден Абуович Кожаспаев Нариман Кожаспаевич Боканова Алия Абылгазиевна Мырзабекова Айнур Мырзабековна Сандибеков Гумырбек Манарбекулы(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОЗОНА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к способам и устройствам для получения озона и может быть использовано для очистки и обеззараживания 12180 Изобретение относится к способам и устройствам для получения озона и может быть использовано для очистки и обеззараживания питьевых и сточных вод и для подготовки технической воды в промышленности. Известен способ получения озона и реализующее его электрогазодинамическое устройство, в котором коронирующий электрод выполнен в виде иглы и расположен осесимметрично внешнему электроду в виде цилиндра (предпатент РК 8716, кл. С 01 В 13/11, 2000). Однако применение в качестве коронирующего электрода острой иглы приводит к малой энергоемкости устройства для получения озона и снижает его эффективность. Кроме того,получение озона в объеме устройства и транспортировка его до рабочей зоны, где расположена обрабатываемая среда, намного снижает эффективность применения озона. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ получения озона и устройство для его осуществления, которое содержит коронирующий и внешний электроды,причем коронирующий электрод выполнен в виде острой иглы и расположен в направляющей потока обрабатываемой среды (а. с. СССР 316646, кл. С 01 В 13/12, 1971). Хотя данное устройство лишено недостатков предыдущего по части транспортировки и доставки озона в рабочую зону,но из-за совпадения направления движения зарядов в разрядном промежутке с направлением движения обрабатываемой среды снижается пробойное напряжение разряда и, соответственно, уменьшается рабочий ток коронного разряда. Другим недостатком данного устройства является то, что в случае обработки среды в виде жидкость-газ возможно частое перекрытие жидкостью коронирующего электрода, также ведущее к снижению эффективности образования озона в разрядном промежутке. Задачей изобретения является разработка способа получения озона и устройства для его осуществления,позволяющих обеспечить стабильность образования озона в разрядном промежутке и взаимодействия его с обрабатываемой средой при низких удельных энергозатратах. Достигаемым техническим результатом будут оптимальный режим процессов, надежность в работе и малые энергозатраты. Технический результат достигается тем, что в способе для получения озона, включающем возбуждение коронного разряда между коронирующей иглой и внешним электродом в кислородсодержащем газе, согласно изобретению,возбуждают коронный разряд между коронирующей иглой и внешним электродом при пониженном давлении кислородсодержащего газа. Способ реализуется на устройстве,содержащем коронирующую иглу и внешний электрод, в котором, согласно изобретению, коронирующая игла расположена в рабочей зоне пониженного давления кислородсодержащего газа, а внешним электродом служит обрабатываемый объект,2 электрически соединенный со вторым полюсом источника питания. При образовании озона в озонаторах в качестве кислородсодержащего газа чаще всего используется атмосферный воздух, который в большинстве случаев имеет атмосферное давление (Бахтаев Ш.А. и др. Озонаторы на коронном разряде. Аналит. обзор. Алматы КазгосИНТИ, 1998). В некоторых случаях имеет место снижение давления газа ниже атмосферного, что связано с высокими скоростями потока газа, протекающего через озонатор. Между тем, ввиду малости снижения давления газа оно не влияет заметным образом на эффективность выхода озона. Во всех этих случаях при атмосферном давлении воздуха для возникновения и поддержания электрического разряда (барьерный, коронный и др.) требуется высокое напряжение питания. Если учесть, что удельные энергозатраты озонирующего элемента определяются количеством выработанного озона (г) на единицу затрачиваемой электроэнергии(кВтч), то очевидна необходимость уменьшения значений питающего напряжения при тех же токах разряда. Снижение удельных энергозатрат необходимо также при многозвенных и многомодульных соединениях озонирующих ячеек с целью повышения общей производительности озонатора. Для снижения удельных энергозатрат при получении озона в предлагаемом способе используется известная зависимость вольтамперных характеристик коронного разряда от давления воздуха в разрядной зоне (Бахтаев Ш.А. Коронный разряд на микропроводах. Алма-Ата Наука, 1984). Установлено, что со снижением давления воздуха в разрядном промежутке также снижается величина напряжения питания при поддерживании постоянным значения силы тока коронного разряда. На фиг. 1 приведены зависимость напряжений от давления воздуха (Р) для различных постоянных значений тока разряда , измеренных при давлениях, начиная от 100 мм рт. ст. вплоть до атмосферного давления в 680 мм рт. ст. (в условиях Алматы). Из этих данных следует, что при постоянстве значений(мкА) и в случае снижения Р(мм рт. ст.) оказывается, что на сколько снижается величина(кВ), на столько повышается удельный энергетический выход озона (г/кВтч). В соответствии с законами состояний идеального газа снижение давления воздуха также уменьшает концентрацию молекул кислорода в единице объема, что может привести к снижению образования озона в разрядном промежутке. Между тем, снижение Р приводит также к обратному эффекту усилению ионизационных процессов из-за удлинения длины свободного пробега электронов и поэтому повышению их энергии. Таким образом,снижение Р не может существенным образом оказать влияние на степень выхода озона, так как при снижении Р постоянство значенийобеспечивается необходимой плотностью потока зарядов, состоящих, в основном, из ионов кислорода и озона. 12180 На фиг. 2 представлена функциональная схема устройства для получения озона. Устройство содержит коронирующие электроды 1, балластные сопротивления 2, источник питания 3, контактное кольцо 4, водоструйный насос 5 с вентилем 6 для регулировки поступления воздуха и с измерителем давления 7. Кроме того, водоструйный насос 5 имеет струю воды 8, зону образования озона 9 и зону взаимодействия озона с обрабатываемой средой 10. Устройство работает следующим образом. Вода вытекает с повышенной скоростью из узкой трубки и создает сужающуюся струю воды 8 в свободном пространстве водоструйного насоса. Струя воздуха 8, входя в узкое горлышко 10 корпуса насоса,захватывая с собой воздух, оказывает всасывающее действие, что, в конечном итоге, обеспечивает отсасывание воздуха из свободного пространства насоса, понижая в нем давление. При подаче достаточно высокого напряжения(обычно отрицательной полярности) от источника питания 3 через балластные сопротивления 2 на коронирующие электроды 1 между ними и струй воды возникает коронный разряд, и в зоне 9 начинается процесс образования озона. Озон вместе с другими молекулами воздуха струй воды увлекается вниз в сторону узкого горлышка корпуса насоса, где в зоне 10 взаимодействует с обрабатываемой средой. Внешним электродом коронного разряда служит поверхность водной струи 8, которая контактирует с металлическим кольцом 4, расположенным в узком горлышке 10 корпуса насоса и электрически соединенным со вторым полюсом источника питания 3, причем при этом предполагается достаточность электропроводности водной среды струи. Необходимая величина пониженного давления воздуха в рабочей зоне устанавливается с помощью вентиля 6 по показанию измерителя давления 7. Предложенное устройство обеспечивает ведение процессов очистки и обеззараживания водной среды озоном в оптимальном режиме, то есть в этом случае процессы образования озона и взаимодействия его с обрабатываемой средой объединены и протекают одновременно в рабочей зоне водоструйного насоса. При этом эффективность применения озона существенно повышается из-за отсутствия действия по доставке и транспортировке озона к рабочему месту. Один из вариантов устройства для получения озона иллюстрируется примером. Пример. Основные разрядные процессы при коронирующей игле и при коронирующей микропроволоке принципиально не отличаются и разнятся они только по мощности разряда. В связи с этим для исследования влияния давления воздуха на характеристики коронного разряда использована цилиндрическая система электродов, которая представляет собой устройство для получения озона в коронном разряде. На фиг. 1 приведены зависимости напряжения коронного разряда от давления атмосферного воздуха для случая концентрических цилиндров диаметрами 50 микрон и 10 мм, соответственно. Как видно из рисунка, эти зависимости измерены при постоянстве значений силы тока в диапазоне от 100 мм рт. ст. до 680 мм рт. ст. изменения давления. Полученные данные,снятые озонометром типа ЛЭК разработки СанктПетербургского технического университета,позволяют определить удельную производительность озонирующей ячейки на коронном разряде, что составило порядка 1 г озона в час при силе тока разряда 5 мА. Ориентируясь на эти данные, рассчитаем удельные энергетические выходы (г/кВтч) предлагаемого устройства. При этом удельные энергетические выходы при атмосферном давлении воздуха 680 мм рт. ст. для силы тока 5 и 20 мкА равняются 65,5 и 53,3 г/кВтч, соответственно, тогда как при давлении 100 мм рт. ст. их значения резко увеличиваются,равняясь 160 и 133,3 г/кВтч. Таким образом решена задача по разработке способа получения озона, который реализован в предложенном варианте устройства,обеспечивающего вести процессы образования озона и взаимодействия его с обрабатываемой средой в оптимальном режиме при высоком удельном энергетическом выходе озона. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ получения озона, включающий возбуждение коронного разряда между коронирующей иглой и внешним электродом в кислородсодержащем газе, отличающийся тем, что возбуждают коронный разряд между коронирующей иглой и внешним электродом при давлении кислородсодержащего газа ниже атмосферного. 2. Устройство для получения озона, содержащее коронирующую иглу и внешний электрод,отличающееся тем, что коронирующая игла расположена в рабочей зоне пониженного давления кислородсодержащего газа и соединена с одним из полюсов источника питания, а внешний электрод электрически соединен со вторым полюсом источника питания.