Химия и химические технологии / 5. Фундаментальные

проблемы создания новых материалов и технологий

Безруких Н.С., Безруких Е.Г.

ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет»

НПО «Пульсар», г. Красноярск, Россия

ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет»

НПО «Пульсар», г. Красноярск, Россия

Особенности производства озона из кислорода

озонаторами диапазона НЧ

В современных технологиях, использующих высокоактивный и экологически чистый окислитель – озон, наблюдается тенденция к применению высококонцентрированных газовых смесей. Применение озона высокой концентрации имеет ряд преимуществ [1]:

– снижаются удельные затраты на получение озона;

– уменьшаются массогабаритные характеристики контактных аппаратов, т.к. согласно закону Генри повышение концентрации озона в газовой фазе в равновесных условиях приводит к более высокой концентрации озона в жидкости;

– увеличиваются скорости процессов окисления и дезинфекции;

– снижается концентрация примесей в продуктовом газе в виде окислов азота;

– снижается себестоимость производства озона.

Озон, как правило, синтезируется в барьерном разряде из кислорода, содержащегося в осушенной исходной газовой смеси. В простейшем случае исходной газовой смесью может являться атмосферный воздух, содержащий 21 объемный % кислорода. В этом случае концентрация озона в продуктовом газе достигает в лучших озонаторах 2-х весовых %. По мере добавления кислорода в исходную газовую смесь концентрация озона в продуктовом газе возрастает и может достигать 8…10 весовых % и более.

В барьерном разряде электросинтез озона происходит по реакции

О+О₂+М→О₃+М, (1)

где М – любая частица, присутствующая в системе. Этой частицей могут быть молекула кислорода, озона, азота.

В работе [2] приведена зависимость стационарной концентрации озона от состава смеси кислород–азот, полученной на генераторе озона, работающем на частоте 3…6 кГц (диапазон ОНЧ). Эта зависимость показывает, что добавка азота к чистому кислороду приводит к активизации образования озона и наблюдается максимум его концентрации в области 85 объемных % кислорода.

В современных промышленных озонаторных установках, использующих исходный газ с повышенным содержанием кислорода, применяются адсорбционные концентраторы кислорода, работающие на молекулярных ситах, которые могут выдавать максимально 93…95 объемных % кислорода, осушенного до точки росы минус 60 ⁰С. Основным недостатком адсорбционных концентраторов кислорода, работающих по схеме PSA (Pressure Swing Adsorption), является большое потребление исходного воздуха (т. е. необходимо использование мощных винтовых компрессоров, которые достаточно дорогостоящи). Отношение объема расхода воздуха к объему полученной кислородной смеси, содержащей 93…95 объемных % кислорода, равна примерно 15:1. К тому же, практика показывает, что в процессе эксплуатации качество молекулярных сит, применяемых в концентраторах кислорода, падает, вследствие чего падает и концентрация кислорода. Работа озонаторной установки в режиме использования исходного газа с концентрацией кислорода 85 объемных % привела бы к снижению энергетических затрат и к снижению отношения объема расходуемого воздуха к объему получаемой кислородной смеси.

Активная мощность, вводимая в барьерный разряд, описывается зависимостью Мэйли, которая утверждает, что она пропорциональна частоте, на которой работает генератор озона [3]. Это означает, что плотность энергии барьерного разряда возрастает с частотой. Такая зависимость позволяет при одинаковой активной мощности значительно уменьшить массогабаритные характеристики не только генераторов озона, но и озонаторов в целом.

В настоящей работе ставится задача определения зависимости концентрации озона, синтезируемого генератором озона, работающем на повышенной частоте 66 кГц (диапазон НЧ), от концентрации кислорода в исходном газе.

Испытуемый генератор озона – пластинчатый, снабжен двумя диэлектрическими барьерами и двусторонним водяным охлаждением. Точка росы воздуха, используемого для приготовления исходной газовой смеси, минус 41 ⁰С. Точка росы кислорода, используемого для приготовления исходной газовой смеси, минус 43 ⁰С. Расход исходного газа во всех случаях выдерживался одинаковым и равнялся q=500 л/ч. Изменениям подвергалась подаваемая на генератор озона мощность Р. Полученные экспериментальные данные приведены на графике, изображенном на рисунке 1.

С_{кислорода}=21%

С_{кислорода}=70%

С_{кислорода}=85%

С_{кислорода}=95%

Рис.1. Зависимость концентрации озона от параметра P/q, Вт ч/л

Анализ семейства графиков показывает, что при малых концентрациях кислорода максимум концентрации озона наступает при меньших значениях параметра P/q , а по мере повышения концентрации кислорода он сдвигается в сторону бóльших значений. Это объясняется тем, что при наличии большого количества азота в генераторе озона при повышении подводимой мощности наблюдается процесс «отравления» окислами азота. При значениях же концентрации кислорода 95 объемных % вклад этого процесса весьма низок, а загиб кривой вниз объясняется недостаточно эффективным охлаждением электродов генератора озона.

На рисунке 2 приведен график зависимости максимально достижимой в этом эксперименте для данного генератора озона концентрации озона от концентрации кислорода.

Рис. 2. Зависимость концентрации озона от концентрации кислорода

На данном графике экстремума концентрации озона при концентрации кислорода 85 объемных % не наблюдается. По всей видимости, это является особенностью работы генератора озона в диапазоне НЧ (хотя аналогичный результат приведен в работе [4] для частоты 2 кГц, диапазон ИНЧ).

Из приведенного выше графика видно, что концентрация озона в точках 95% и 85% отличаются в 1,15 раза. Концентратор кислорода «Провита–50» производства НПК «ПРОВИТА» (г. Санкт–Петербург) при расходе воздуха 600 л/мин производит кислородной смеси с концентрацией 93 объемных % 50 л/мин., а кислородной смеси 85% – 65 л/мин., т.е. в 1,3 раза больше.

Таким образом, не смотря на то, что максимума концентрации озона при концентрации кислорода 85% на частоте 66 кГц не обнаружено, тем не менее можно констатировать:

– при тех же энергозатратах произвести озона можно на 12,5% больше, чем при концентрации кислорода 95%;

– концентрация озона в продуктовом газе при этом снизится всего на 13%, что весьма незначительно повлияет на многие технологические процессы, в которых применяется концентрированный озон.

Применение кислородной смеси с содержанием 85 объемных % кислорода для озонаторов диапазона НЧ энергетически более выгодно (с учетом энергии, потребляемой компрессорной установкой), чем применение смеси с концентрацией 95 объемных %, несмотря на то, что максимума концентрации озона при этом в этой точке не наблюдается.

Литература:

1. Самойлович, В.Г. Аргументы «за» и «против» использования воздуха или кислорода для промышленного производства озона / В. Г. Самойлович, Л. Ю. Абрамович. // Первая всероссийская конференция «Озон и другие экологически чистые окислители» Материалы конференции, М. –2005. – с. 144.

2. Лунин, В.В. Физическая химия озона / В.В. Лунин, М.П. Попович, С.Н. Ткаченко. – М. изд-во МГУ, 1998. - 480 с.

3. Самойлович, В.Г. Влияние частоты на электрические характеристики озонаторов / В. Г. Самойлович, Ю. В. Филиппов //Журнал физической химии, т. XXXV, №1, –1961. – с. 201-205.

4. Бударин, М.В. Теоретические и экспериментальные исследования создания высокоэффективного озонаторного оборудования [Интернет] / М.В. Бударин, В.И. Пригожин. // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology, ISJAEE –2004. – с. 16-21.