Свойства, получениие и применение озона (стр. 32 )

Рис. 4. Зависимость концентрации озона от величины N/q: 1 – для О2; 2 – для сухого воздуха; h = 1 мм

Для расчета активной мощности разряда озонатора используется уравнение:

N = (2/p) UP w [CЭ (U0-UР) - CР UР];

где U0, Uр - напряжение, подводимое к озонатору и в разрядном промежутке; Cэ, СР - емкость электродов и разрядного промежутка; w - частота тока, Гц.

Оптимальная скорость потока воздуха через трубчатый озонатор изменяется в пределах 0,08¸0,2 м/с. До 85¸95 % потребляемой электроэнергии в озонаторе затрачивается на выделение тепла, поэтому электродную систему необходимо охлаждать, т. к. озон при повышение температуры быстро разлагается. Повышение мощности озонатора и частоты тока до определённой величины повышают концентрацию О3, а затем происходит спад. Температурный перепад имеет место и в разрядном промежутке, поэтому озонаторы с малыми разрядными промежутками более выгодны. Оптимальное давление в озонаторах — 1,5÷2 ат, а при повышении давления до 4÷5 ат структура разряда изменяется, появляются искровые дискретные разряды, снижается концентрация озона и эффективность электросинтеза. В озонированном воздухе содержание оксида азота NO может достигать 1 % от количества O3.

Необходимость осушки воздуха, подаваемого в «тихий» разряд, объясняется следующими причинами: 1) увеличение влажности воздуха уменьшает выход озона (например, снижение точки росы tр с ( -50) до (-20) °С снижает концентрацию O3 на 16 %); 2) происходит искрение электродов, и даже возникновение дуги при «тихом» разряде, уменьшается диэлектрическая прочность стекла; 3) образуются окислы (N2O5, N2O, NO2 — газ буро-красного цвета) и азотная кислота.

Осушение воздуха возможно с помощью пористых поглотителей, в частности твердых активных гелей. Например, при использовании силикагеля (геля кремнистой кислоты SiO2×H2O) реализуются следующие показатели: практическая степень осушки по температуре точки росы tP = (- 40) °C; практическая поглотительная способность по весу - 8¸10 %; температура применения tпр - 0¸35 °C; температура регенерации tрег — 180¸220 °C; расход воздуха на регенерацию Gврег > 1 м3/кг; фиктивная скорость движения воздуха при адсорбции Wв — до 0,5 л/мин×см2. При использовании алюмогеля (активированной окиси алюминия Al2O3×H2O), соответственно: tP= - 60°C; 2¸4 %; tпр = 0¸25 °C; tрег = 240¸ 260 °C; Gврег = 1 м3/кг; Wв = 0,5 л/мин×см2. Силикагелю (при равном объеме с алюмогелем) свойственна более высокая поглотительная способность - до 50 %. Причем адсорбция сопровождается выделением тепла и возрастанием температуры воздуха.

Осушитель O3 может включать: закрытый приемник поглотителя и активированного угля; устройство для регенерации поглотителя (вентилятор, электронагреватель). Осушение воздуха для небольших озонаторов с периодическим режимом работы возможно охлаждением (вымораживанием). Выгодно вначале охладить воздух, а затем вводить в поглотитель. Предпочтительный состав адсорбента для осушки воздуха по слоям: нижний — катионит, средний — силикагель, верхний — алюмогель. Осушка проводится до влагосодержания не более 0,05 г/м3.

Большое значение в установках для озонирования играют абсорбенты, предназначенные для нейтрализации отработавшего (остаточного) озона из отходящих газов. В качестве насадки могут использоваться различные материалы [54]. Например, гидроокиси металлов Pb(OH)2, Mn(OH)2, Ni(OH)2, Co(OH)2 окисляются озоном до перекисей. Растворы KOH, NaOH, Ca(OH)2, Ba(OH)2 разлагают озон. При встряхивании озон-кислородной смеси с угольным или графитовым порошком запах озона мгновенно исчезает. При этом на поверхности сухого активированного угля образуются кислотные оксиды: CO2 и в небольших количествах — C4O3, C6O3. Причем уже при комнатной температуре происходит быстрый распад O3 до O2. Озон также каталитически разлагается в присутствии оксидов металлов переменной валентности — Mn, Ni, Co, Fe, Cu и др. Например, оксиды CuO и MnO2 разлагают озон очень быстро при комнатной температуре. Влажный озон окисляет все металлы, за исключением Au и Рt, а сухой O3 не окисляет многие металлы (при t = 20°C) например Mg, Zn, Al, Bb, Sn, Fe, Cu. Озон при действии на ртуть разлагается, но заметное окисление ртути не наблюдается, а влажная ртуть при контакте с озоном покрывается слоем желто-красной окиси — Hg2O и HgO. Озон реагирует с перекисью водорода, как в газовой среде, так и в растворе:

H2O2 + O3 = H2O + 2O2.

Аммиак окисляется озоном до нитрата аммония при реакции, как сухих, так и влажных газов:

2NH3 + 4O3 = NH4NO3 + H2 + 4O2.

Небольшое количество O3 реагирует с HJ с выделением йода, а большие же количества O3 окисляют HJ до воды и HJO3.

Концентрированный озон может быть получен путем поглощения этого газа из воздуха на силикагеле в интервале температур от -117 до 20°С (Журнал физической химии, 1972, т. 46. вып. 10, С. 2602; Журнал физической химии, 1973, т. 47, вып.4, С. 996). Озон адсорбируется на силикагеле и может десорбироваться без какой-либо реакции или распада. Адсорбция О3 при комнатной температуре повышается, если некоторое количество воды уже присутствовало на поверхности кремнезема. Теплота адсорбции озона на силикагеле составляет примерно 2,6 ккал/моль. Кремнийорганические полимеры (силиконы) проявляют высокую стойкость к действию озона и электрического коронного разряда.

Коаксиальные озонаторы состоят из двух коаксиальных, вставленных друг в друга стеклянных трубок 1 и 2 (рис. 5).

Электроды выполняются в виде металлической фольги, наносимой на внешнюю поверхность внешней трубки - 4 и на внутреннюю поверхность внутренней трубки - 3. Напряжение на клеммах реактора всегда превышает напряжение на газоразрядном промежутке, т. к. часть напряжения падает на барьере из диэлектрика. Производительность озонаторов увеличивается примерно в 100 раз при переходе с частоты тока f = 50 Гц, на f = 10 кГц, т. к. с ростом частоты падает сопротивление барьера: xc = (1/ωC); ω = 2pf.

Возможно использование жидкостных электродов (рис. 6), в качестве которых применяют растворы солей, заполняющие внутреннюю трубку и рубашку второй трубки.

Рис. 6

В эти растворы погружают проволочки, соединенные с источником переменного напряжения. В случае использования охлаждаемой проточной внешней рубашки, наружный электрод и один из высоковольтных выводов трансформатора заземляют. Зазор между барьерами поддерживается на уровне 1÷2 мм. При наличии одного барьера для данного тока требуется более низкое напряжение. Поверхностная проводимость барьера зависит от количества воды адсорбируемой на его поверхности, т. е. зависит от влажности газа, давления и температуры. Поэтому при работе с влажным газом возникает меньшее число разрядов большой мощности, а при очищенном от пыли и высушенном газе число микроразрядов велико, зазор светится почти однородным свечением. При постоянном токе для создания тихого разряда между электродами не должно быть барьеров из диэлектриков, а ток ограничивается большим балластным сопротивлением в цепи.

В цилиндрическом озонаторе (рис. 7) разряд возбуждается между внешним стеклянным электродом 1 и внутренним металлическим 2. Оптимальные параметры: напряжение - 7÷12 кВ; частота - 1 кГц, выход озона - до 50 г/кВт×ч; при концентрации 2,5 г/м2. Металлические электроды выполняют из алюминия или нержавеющей стали или золоченой латуни.

Трубчатый генератор озона (рис. 8) состоит из двух электродов: электрода низкого напряжения 1 (электрод массы) и электрода высокого напряжения 2, разделенных стеклянным диэлектриком 3.

Электрод низкого напряжения 1 выполняется в виде цилиндра из нержавеющей стали, в котором с зазором установлен полый цилиндрический стеклянный диэлектрик 3, с нанесенным изнутри слоем металлического покрытия. Электрод высокого напряжения 2 размещен строго по центру стеклянного диэлектрика. Барьерный разряд генерируется в межэлектродном пространстве 5 между электродом 1 и поверхностью диэлектрика 3. Полость 6 электрода 1 охлаждается водой. Количество получаемого О3 (при Т = const), прямо пропорционально мощности, расходуемой при разряде. Причем при переходе с частоты f = 50 Гц к f = 600 Гц производительность увеличивается в 3 раза. Электропроводное покрытие 4 может выполняться из композиции медь-графит, алюминия или графита. Для герметизации озонаторов можно использовать следующие материалы: этиленпропиленовые эластичные прокладки, керамику и стекло. Соединения фтора устойчивы к действию озона [53] и могут использоваться как электроизолирующие элементы при конструировании генераторов озона. Достаточной химической стойкостью в озоновой смеси обладают: стали типа 12X18H10T, органическое стекло, полиэтилен, фторопласт, стеклопласт, пентапласт, стеклотекстолит, стеклоэмалевое покрытие УЭС-200 и др.

При использовании переменного тока с частотой f = 50 Гц производительность генераторов регулируется изменением напряжения через автотрансформатор. Величина cos j при f = 50 Гц не превышает 0,4. Поэтому преимущества переменного тока с частотой 600 Гц следующие: 1) возрастает мощность аппаратов с уменьшением габаритов; 2) достигается cos j = 0.9, т. е. увеличивается активная мощность; 3) возможна эксплуатация при более низком напряжении, с повышением КПД. Наблюдается оптимальная скорость прохождения воздуха через озонатор, причем с уменьшением скорости потока концентрация О3 практически падает до нуля.

Повышение частоты и формирование импульсного тока увеличивает выход озона и КПД процесса. Например, озонаторы (пат. 1401693 Англии, С01В 13/10, опубл. 30.07.1975) имеют питание с напряжением повышенной частоты импульсной формы. Ток от сети промышленной частоты преобразуется в повышающем трансформаторе 1 (рис. 9) и выпрямляют в выпрямителе 2 до напряжения U = 20 кВ относительно заземленной средней точки.