Реактор синтезу озону

Реферат: Винахід стосується реакторів бар′єрного синтезу озону з кисню, з повітря атмосфери та із інших газових сумішей з киснем. Реактор має перший і другий електроди, виповнені в вигляді двох довгих, першого і другого дротів в діелектричній ізоляції кожний, при цьому початок і кінець кожного з дротів з'єднані між собою, дроти по всій довжині наближені один до одного на відстань загорання бар'єрного електричного розряду між ними або паралельно і виповнені у вигляді дротів першої і другої жили двожильного кабелю з одинарною ізоляцією або шляхом скручування і виповнені у вигляді дротів звитої пари дротів з роздільною ізоляцією. Технічний результат: забезпечується висока продуктивність генератора озону, простота конструкції і її технологічність. UA 108992 C2 (12) UA 108992 C2 UA 108992 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до техніки високої напруги, а саме до генераторів для синтезу озону електрофізичним способом в об'ємі незавершеного електричного розряду в атмосфері кисню чи кисневмісних газових сумішей. Відомі на сьогодні пристрої для генерації озону електрофізичним способом поділяються на генератори коронного розряду і генератори бар'єрного розряду [1-2]. Генератори озону коронного розряду мають недостатню для багатьох практичних застосувань продуктивність, великі габарити і низьку надійність. Таких недоліків не мають генератори бар'єрного розряду. Тому вони є більш перспективними для інтенсифікації таких технологічних процесів як водопідготовка питної води, води для басейнів, знезаражування каналізаційних вод, відбілювання целюлози, переробка відпрацьованих гумотехнічних виробів, озоноліз нафти, обробка насіння в сільськогосподарському виробництві, збільшення термінів зберігання сільськогосподарської продукції. Електродна система таких генераторів озону (реактор синтезу озону) має в своєму складі два металеві різнополярні електроди, наприклад пластинчасті [2], коаксіальні [3-4], чи в вигляді гофрованих мембран [5] або намотаних на діелектричну оправку дротів [6], один чи більше діелектричних бар'єри з зазорами між ними, в яких власне при приєднанні електродів до джерела високої перемінної напруги і відбувається незавершений електричний розряд, що отримав назву бар'єрного. В об'ємі цього розряду при наявності кисню здійснюється синтез озону. При збільшенні частоти підведеної напруги в генераторах озону бар'єрного розряду вдалося значно збільшити продуктивність генераторів в порівнянні з генераторами коронного розряду. Недоліком електродної системи таких генераторів озону є недостатня для інтенсифікації багатьох технологічних процесів продуктивність, складність конструкції та її нетехнологічність, складність виготовлення і експлуатації, висока вартість та великі габарити. Все це знижує техніко-економічні показники генераторів озону та збільшує вартість озону, що в них виробляється. Значно кращі техніко-економічні показники і простоту конструкції мають генератори озону з реактором в вигляді електродної системи для синтезу озону за патентом України на винахід № 86521 "Електродна система для генерації озону" ПІ. Простота і технологічність запатентованої конструкції електродної системи на основі використання двох дротів в ізоляційній оболонці, початок і кінець дротів з'єднані між собою, а самі дроти розміщені на діелектричній оправці, зменшує габарити, масу і технологічну та експлуатаційну складність генераторів озону, веде до зростання надійності і зниження загальної вартості генераторів озону. Але все таки електродна система для генерації озону за патентом ПІ залишається достатньо складною в виготовленні, потребує великої кількості штуцерів, виготовлення діелектричної оправки та недостатньо ефективно вирішує проблеми охолодження в озонаторах високої продуктивності. В основу винаходу поставлено задачу створення реактора синтезу озону, який не має вказаних недоліків. Поставлена задача вирішується тим, що перший і другий електроди реактора для синтезу озону виповнені у вигляді першого і другого дротів в діелектричній ізоляції, які наближені один до одного на відстань загорання бар'єрного електричного розряду між ними паралельно і виповнені у вигляді дротів першої і другої жили двожильного кабелю з одинарною ізоляцією (наприклад, акустичний кабель) (фіг.1) або ж дроти наближені один до одного на відстань загорання бар'єрного електричного розряду між ними шляхом скручування і виповнені у вигляді дротів звитої пари дротів з роздільною ізоляцією (наприклад, "звита пара" в телефонному кабелі) (фіг.2). В деяких практичних застосуваннях більш прийнятний варіант реактора синтезу озону, коли необхідно весь озон, що утворюється, збирати і направляти в певний пристрій чи на певний технологічний процес, одночасно забезпечуючи високу продуктивність озонатора. Для забезпечення таких можливостей, для розширення сфер застосування, збільшення продуктивності та технологічності реактора синтезу озону, дроти двожильного кабелю чи, відповідно, звитої пари дротів попередньо, до з'єднання їх кінців, пропущені через герметичну діелектричну оболонку, утворену з першої і другої діелектричних труб однакової довжини, наприклад, виповнених зі скла, силікону, полівінілхлориду чи інших пластмас, та з'єднаних між собою діелектричним трубчатим з'єднувальним штуцером на три входи (трійником), до двох інших кінців діелектричних труб приєднано діелектричні трубчасті штуцери хрестовидної форми на чотири входи, наприклад, два входи з яких розміщено вертикально, а два - розміщено горизонтально, при цьому діелектричні труби приєднано до нижніх вертикальних входів вказаних трубчатих штуцерів, а через горизонтальні пропущені кінці першого і другого дротів 1 UA 108992 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 електродної системи і ці входи герметично заглушені заглушками. Після чого початок і кінець першого і другого дроту з'єднані між собою, а через вільні вертикальні входи хрестовидних штуцерів, для здійснення синтезу озону, до реактора синтезу озону вдувається повітря або кисень, чи інші суміші газів з киснем, а суміш озону з газами виходить через третій вихід з'єднувального штуцерного трійника і приєднаний до нього вихідний патрубок (фіг.3). Оскільки підвищення температури в зоні бар'єрного розряду негативно впливає на вихід озону, для зменшення температури в зоні синтезу озону та для її підтримання в оптимальних межах, тобто для вирішення проблеми охолодження зони реакції синтезу озону, діелектричні труби реактора синтезу, включно зі з'єднувальним штуцерним трійником, починаючи від нижніх вертикальних входів хрестовидних трубчатих штуцерів занурені в ємність з водою чи з іншим охолоджувачем (фіг.4), наприклад, з охолоджуваними оливами, або, навіть, можуть бути вморожені в лід, а суміш озону з газами виходить через третій вихід з'єднувального штуцерного трійника і приєднаний до нього вихідний патрубок, який виводить суміш за межі ємності з охолоджувачем. Суть винаходу пояснюється кресленнями фіг. 1-4. На фіг. 1 показано варіант виконання реактора синтезу озону з використанням як електродів дротів двожильного кабелю, а на фіг.2 - варіант виконання електродної системи з використанням як електродів першого і другого дротів звитої пари дротів. Відповідно реактор синтезу для синтезу озону включає в себе: 1 - перший електрод у вигляді, наприклад, жили першого дроту двожильного кабелю (фіг. 1) чи першого дроту звитої пари дротів з роздільною ізоляцією (фіг.2), 2 - другий електрод у вигляді жили другого дроту двохжильного кабелю (фіг. 1) чи другого дроту звитої пари дротів з роздільною ізоляцією (фіг.2), 3 - з'єднання початку і кінця дроту першої жили двожильного кабелю (фіг. 1) чи початку і кінця першого дроту звитої пари дротів з роздільною ізоляцією (фіг.2), 4 - з'єднання початку і кінця дроту другої жили двожильного кабелю (фіг. 1) чи початку і кінця другого дроту звитої пари дротів з роздільною ізоляцією (фіг.2). Найбільш прийнятне просторове розміщення електродної системи для синтезу озону здійснюється несучими діелектричними елементами 5 будь-яких відомих конструкцій. На фіг.3 (у відповідності до п. 2 формули), на прикладі використання в електродній системі звитої пари дротів з одинарною ізоляцією, дроти електродної системи 1 і 2 попередньо, до з'єднання їх кінців, пропущені через герметичну діелектричну оболонку, утворену з першої 6 і другої 7 діелектричних труб однакової довжини, наприклад, виповнених зі скла, силікону, полівінілхлориду чи інших пластмас, та з'єднаних між собою діелектричним трубчатим з'єднувальним штуцером 8 на три входи (трійником). До двох інших кінців діелектричних труб приєднано діелектричні трубчасті штуцери хрестовидної форми на чотири входи 9 і 10, наприклад, два входи з яких 9-1 і 9-3 та 10-1 та 10-3 розміщено вертикально, а два інші 9-2 і 9-4 та 10-2 і 10-4 - розміщено горизонтально, при цьому діелектричні труби 5 і 6 приєднано до нижніх вертикальних входів 9-1 і 10-1 вказаних трубчатих штуцерів 9 і 10, а горизонтальні входи 9-2 і 9-4 та 10-2 і 10-4 герметично закриті заглушками 11, через які пропущені кінці першого 1 і другого 2 дротів електродної системи. Після чого початок і кінець першого 1 і другого 2 дроту з'єднані між собою (поз. 3 і 4 на фіг.3), а через вільні вертикальні входи хрестовидних штуцерів 9-3 і 10-3 для здійснення синтезу озону до реактора синтезу озону вдувається повітря або кисень, чи інші суміші газів з киснем, а суміш озону з газами виходить через третій вихід з'єднувального штуцерного трійника 8 і приєднаний до нього патрубок 12 (фіг.3). На фігурі 4 (що відповідає п. 3 формули) запропоновано варіант відокремлення реактора синтезу озону від навколишнього середовища з метою забезпечення примусового охолодження зони реакції синтезу озону. Для цього діелектричні труби 6 і 7 електродної системи, включно зі з'єднувальним штуцерним трійником 8 і вихідним патрубком 12, починаючи від нижніх вертикальних входів хрестовидних трубчатих штуцерів 9 і 10 занурені в ємність 13, заповненою водою 14. При цьому як охолоджувач можуть використовуватися інші рідини, наприклад охолоджувані оливи або, навіть лід, для чого труби 6 і 7 електродної системи можуть бути вморожені в лід. (трубопроводи для прокачування охолоджуваної рідини 14 на фіг. 4 не показано). Реактор синтезу озону працює наступним чином. При подачі перемінної високої напруги від джерела живлення генератора озону (на кресленнях не показано) на жили першого 1 та другого 2 дротів через з'єднання 3 і 4 (фіг. 1-4), напруга в проміжку ізоляція першого дроту 1 - газовий проміжок - ізоляція другого дроту 2 розподіляється обернено пропорційно електричним ємностям відповідних лінійних елементів проміжку, тому основне значення напруги буде припадати на газовий проміжок. Використання в електродній системі як дротів 1 і 2 дротів жил двожильного кабелю з одинарною ізоляцією (фіг. 1) чи першого і другого дроту звитої пари дротів з роздільною ізоляцією (фіг.2), які є предметами масового виробництва, дозволяє 2 UA 108992 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 гарантувати однакові відстані між дротами, високу стабільність ємнісних параметрів дротів на одиницю довжини, а значить гарантоване та надійне загорання бар'єрного розряду по всій довжині двожильного кабелю чи звитої пари дротів, що є умовою синтезу озону в електродній системі реактора. Особливо необхідно відзначити, що використання в запропонованому реакторі жил 1 і 2 двожильного кабелю чи звитої пари дротів не потребує, на відміну від відомих систем, використання діелектричного каркасу чи спеціальної несучої конструкції які повинні забезпечувати однакову відстань між електродами, що є необхідною умовою стабільної і надійної роботи реактора озону. Це спрощує конструкцію і виготовлення запропонованої електродної системи, а також можливість реалізації відмінних ознак за п. 2 і 3 формули винаходу. При цьому лише необхідно правильно просторово розмістити електроди 1 і 2 за допомогою простих несучих діелектричних елементів 5, наприклад, будь-яких відомих конструкцій. При високих рівнях напруги джерела та внаслідок різкої нерівномірності електричного поля і його високої напруженості, в газовому проміжку між ізоляцією дротів 1 і 2 досягаються значення напруженості електричного поля, що перевищують значення пробивної напруженості. Це приводить до загорання електричного розряду в газовому проміжку, але внаслідок наявності діелектричних бар'єрів дротів 1 і 2 та внаслідок перемінного і високочастотного характеру прикладеної високої напруги, такий розряд буде незавершеним і не приводить до повного перекриття проміжку між електродами 1 і 2. В зоні такого розряду (він одержав назву бар'єрного), як свідчить теорія і практика, створюються умови для синтезу озону із кисню. Оскільки довжина дротів 1 і 2 в запропонованій електродній системі може складати від кількох сантиметрів до кількох метрів, то зона реакції синтезу озону може мати значні об'єми і, при відповідній потужності джерела живлення та створенні оптимальних температурних умов, забезпечить високу продуктивність та економічність синтезу озону, що є однією із умов винаходу. Використання як електродів жил дротів 1 і 2 двожильного кабелю чи першого і другого дротів звитої пари дротів (фіг. 1 і 2), не потребує наявності каркасу для їх розміщення з дотриманням вказаних відстаней між дротами, що забезпечує високу технологічність, малі габарити, простоту виготовлення, збільшення продуктивності та розширення сфер застосування запропонованої електродної системи. Високу надійність роботи реактора синтезу озону та виключення контакту озону з металом електродів в зоні реакції (що важливо для унеможливлення корозії електродів та ряду практичних застосувань озону, наприклад, в медицині), забезпечує варіант виконання конструкції електродної системи згідно з п. 2 формули. Такий варіант виконання електродної системи важливий також для забезпечення збору і направлення синтезованого озону в заданий пристрій чи технологічний процес. Реактор синтезу озону, відповідно п. 2 формули винаходу, додатково має герметичну діелектричну оболонку, утворену з першої 6 і другої 7 діелектричних труб однакової довжини та з'єднувальним діелектричним трубчастим штуцерним трійником 8, а також двома діелектричними трубчастими штуцерами хрестовидної форми на чотири входи 9 і 10. Така герметична оболонка має об'єм найбільш наближений до об'єму зони реакції синтезу, що забезпечує високі концентрації озону, що синтезується, і, одночасно, високу ефективність охолодження зони реакції газом, що продувається через зону реакції синтезу. При цьому продувка з двох боків електродної системи через вільні входи штуцерів 9 і 10 (поз. 9-3 і 10-3) та вихід озону в середній частині електродної системи через з'єднувальний штуцерний трійник 8 і вихідний патрубок 12, рівноцінна зменшенню в два рази довжини електродної системи при охолодженні. Це практично в два рази покращує ефективність охолодження електродної системи продуваними сумішами газів. Як герметична оболонка електродної системи можуть бути використані труби зі скла, силікону, полівінілхлориду чи інших пластмас як жорсткі, так і гнучкі, що дозволяє вказані труби при значній довжині дуже просто змотувати в бухту (фіг.4), при цьому значно зменшувати розміри реактора синтезу озону не погіршуючи умови охолодження зони реакції синтезу озону. Початок і кінець першого 1, відповідно, і другого 2 дроту з'єднуються між собою (позиція 3 і 4) після проходження хрестовидних штуцерів 9 і 10, що технологічно просто виконати розділяючи і пропускаючи початок і кінець дроту через горизонтальні входи хрестовидних штуцерів, які при цьому герметично закриті заглушками (поз.11 на фіг.3-4). Вдування повітря або кисню, чи інших сумішей газів з киснем, через вільні вертикальні входи хрестовидних трубчатих штуцерів 9 і 10 (поз. 9-3 і 10-3, фіг.3), дозволяє найбільш ефективно і рівномірно вдувати кисень до зони реакції синтезу озону та ефективно відводити озон від зони реакції, не допускаючи його перегріву і розпаду. При цьому суміш озону з газами виходить через третій вихід з'єднувального штуцерного трійника 8 і приєднаний до нього вихідний патрубок 12. 3 UA 108992 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Таке розміщення підвідних 9 і 10 і відвідного 8 штуцера дозволяє використовувати запропоновану електродну систему в генераторах озону високої потужності та продуктивності. Для ефективного використання запропонованої електродної системи в потужних генераторах озону, діелектричні труби 6 і 7 електродної системи, включно зі з'єднувальним штуцерним трійником 8 і патрубком 12, починаючи від нижніх вертикальних входів хрестовидних трубчатих штуцерів 9 і 10 занурені в ємність 13 з охолоджувачем 14, наприклад, водою. При цьому як охолоджувач можуть використовуватися вода і інші рідини, наприклад охолоджувані оливи, або навіть лід, для чого труби 6 і 7 електродної системи можуть бути вморожені в лід (фіг.4). Вказані відмінні ознаки винаходу дозволяють примусово зменшувати температуру в зоні синтезу озону та підтримувати її в оптимальних межах, що дозволяє використовувати електродну систему в потужних і високопродуктивних генераторах озону з контрольованим температурним процесом синтезу озону. Таким чином, в запропонованому пристрої позитивний ефект досягається за рахунок того, що забезпечується висока продуктивність, простота конструкції і її технологічність, простота виготовлення та експлуатації, низька вартість та невеликі габарити, що є дуже актуальним для цілого ряду практичних застосувань генераторів озону. Крім того, запропонована конструкція системи продувки та охолодження електродної системи реактора синтезу озону, значно підвищує надійність, термін служби і ефективність та керованість роботою генератора озону. Простота і технологічність запропонованої конструкції реактора синтезу озону, зменшує габарити, масу і технологічну та експлуатаційну складність генераторів озону. При цьому спрощення конструкції реактора веде до зростання надійності і зниження загальної вартості генераторів озону. Проведена перевірка запропонованого реактора синтезу озону на діючих макетах показала його ефективність та підтвердила всі позитивні якості перераховані вище. Джерела інформації:. 1. Коробцев СВ., Медведев Д.Д. Ширяевский В.Л. Получение озона в коронном разряде на неосушенном воздухе. Стр 31-35. В книге "Озон и другие экологически чистые окислители. Наука и технологии" Материалы 25-го Всероссийского семинара. Под ред. В.В.Лунина, В.Г. Самойловича и С.Н. Ткаченко. - М.: Изд-во "Университет и школа", 2003-182 с. 2. Данилин В.В., Кокуркин М.П., Остапенко Е.И., Пашин М.М., Смородин А.И., Фомченков А.Т. Отечественные генераторы озона большой производительности с пластинчатыми электродами при работе на воздухе и кислороде (результаты испытаний). Стр. 23-30. В книге "Озон и другие экологически чистые окислители. Наука и технологии" Материалы 25-го Всероссийского семинара. Под ред. ВВ.Лунина, В.Г. Самойловича и С.Н. Ткаченко. - М.: Изд-во "Университет и школа", 2003-182 с. 3. Патент России №94042390. Генератор озона с электродом в форме цилиндрических спиралей, способ генерации озона и способ изготовления генератора. 4. Патент України № 5147. Генератор озону. 5. Патент России №2199487. Система электродов генератора озона. 6. Аванесов А.В., Дамбраускас С.Г., Рахімов А.Т., Саенко В.Б. Генерация УФ-излучения и электросинтез озона в барьерном разряде с новой структурой электродов.-МГУ им. В.М.Ломоносова, препринт НИИЯФ МГУ-2007-6/827. 7. Патент України № 86521. Електродна система для генерації озону. 45 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 55 60 1. Реактор синтезу озону, що має перший і другий електроди, виконані в вигляді двох довгих, першого і другого дротів в діелектричній ізоляції кожний, при цьому початок і кінець кожного дроту з'єднані між собою, одночасно з'єднання кінців першого дроту приєднано до першого, а з'єднання кінців другого дроту - до другого виходів джерела електроживлення озонатора, при цьому на більшій частині своєї довжини дроти наближені один до одного на відстань загорання бар'єрного електричного розряду між ними та розміщені в суміші газів з киснем, який відрізняється тим, що дроти наближені один до одного на відстань загорання бар'єрного електричного розряду між ними паралельно і виконані у вигляді дротів першої і другої жили двожильного кабелю з одинарною ізоляцією або дроти наближені один до одного на відстань загорання бар'єрного електричного розряду між ними шляхом скручування, і виконані у вигляді дротів звитої пари дротів з роздільною ізоляцією. 2. Реактор синтезу озону за п. 1, який відрізняється тим, що дроти двожильного кабелю чи, відповідно, звитої пари дротів реактора попередньо, до з'єднання їх кінців, пропущені через 4 UA 108992 C2 5 10 15 герметичну діелектричну оболонку, утворену з першої і другої діелектричних труб однакової довжини, наприклад, виконаних зі скла, силікону, полівінілхлориду чи інших пластмас, та з'єднаних між собою діелектричним трубчатим з'єднувальним штуцером на три входи (трійником), до двох інших кінців діелектричних труб приєднано діелектричні трубчаті штуцери хрестовидної форми на чотири входи, наприклад, два входи з яких розміщено вертикально, а два - розміщено горизонтально, при цьому діелектричні труби приєднано до нижніх вертикальних входів вказаних трубчастих хрестовидних штуцерів, а горизонтальні входи герметично заглушені заглушками, через які пропущені кінці першого і другого дротів електродної системи, початок і кінець першого і другого дроту з'єднані між собою, при цьому вільні вертикальні входи хрестовидних штуцерів для здійснення синтезу озону до електродної системи виконані з можливістю пропускання повітря або кисню, чи інших сумішей газів з киснем, а третій вихід з'єднувального штуцерного трійника і приєднаний до нього вихідний патрубок призначений для виходу суміші озону з газами. 3. Реактор синтезу озону за п. 2, який відрізняється тим, що діелектричні труби реактора, включно зі з'єднувальним штуцерним трійником, починаючи від нижніх вертикальних входів хрестовидних трубчастих штуцерів занурені в ємність з охолоджувачем – водою, чи з охолоджуваними оливами, або, навіть, можуть бути вморожені в лід, при цьому вихідний патрубок призначений для виводу суміші синтезованого озону з газами за межі ємності з охолоджувачем. 5 UA 108992 C2 6 UA 108992 C2 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7