плазмодинамический способ получения озона и плазмодинамический генератор озона

Формула изобретения

1. Плазмодинамический способ получения озона, включающий пропускание кислородсодержащей газовой смеси через плазмотрон с получением на выходе плазмотрона потока смеси атомарного кислорода и закалку этого потока, отличающийся тем, что газовую смесь пропускают через плазмотрон при статическом давлении менее 300 кПа, а температуру потока плазмотрона поддерживают более 3300 К, закалку потока смеси осуществляют смешением со сверхзвуковым эжектирующим потоком полного давления величиной более 0,3 МПа с температурой торможения менее 500 К, содержащим молекулярный кислород при статическом давлении потока на выходе области смешения P_см и характерном масштабе смешения d_см, удовлетворяющим следующим соотношениям:

P_см / P_т > 1,5;

P_см > 0,03 МПа;

0,2 10^-3 m < d_см < 5 10^-3 м,

где P_т - статическое давление потока смеси атомарного кислорода на входе в область смешения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед закалкой поток смеси атомарного кислорода предварительно охлаждают при статическом давлении менее 60 кПа в промежуточном рекуперативном теплообменнике с гидравлическим диаметром менее 3 10^-3 м, установленном на выходе плазмотрона перед областью смешения.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что поток после закалки дополнительно охлаждают до температуры не выше 500 К в дополнительном выходном рекуперативном теплообменнике, при этом гидравлический диаметр d_гвых и длина зоны теплообмена в направлении потока L_вых удовлетворяет соотношениям

L_вых / d_г.вых > 5;

L_вых/V_вых< 6,410^-15 e,

где V_вых - скорость потока в выходном рекуперативном теплообменнике, м/с;

T, P - температура, К, и давление, кПа, потока на выходе области смешения соответственно.

4. Плазмодинамический генератор озона, содержащий последовательно установленные плазмотрон, подключенный к источнику кислородсодержащей газовой смеси, средство охлаждения газового потока и средство выделения озона, отличающийся тем, что средство охлаждения выполнено в виде промежуточного рекуперативного теплообменника, соединенного с входом эжектируемого газа сверхзвукового эжектора, на выходе которого установлен выходной рекуперативный теплообменник, при этом покрытие поверхности теплообмена промежуточного теплообменника выполнено из материала с величиной константы скорости поверхностной рекомбинации атомарного кислорода менее 2 м/с.

5. Генератор по п.4, отличающийся тем, что за средством выделения озона последовательно установлены компрессор и теплообменник эжектора, причем выход этого теплообменника подключен к входу эжектирующего сопла сверхзвукового эжектора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии получения озона и может быть использовано для создания и разработок плазмодинамических генераторов озона.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ получения озона [1], включающий введение кислорода в газообразной форме в плазму аргона и последующую закалку смеси при комнатной температуре. Наиболее близким к изобретению устройством для осуществления способа получения озона является генератор озона [1], содержащий последовательно установленные в газодинамическом тракте плазмотрон, подключенный к источнику кислородсодержащей смеси, и средство охлаждения газового потока, выполненное в виде поверхностей теплообмена. К недостаткам указанных способов и устройства относятся их низкая эффективность по затратам электроэнергии, малый выход озона и его высокая стоимость.

Целью изобретения является повышение КПД и увеличение выхода озона.

Цель достигается тем, что в плазмодинамическом способе получения озона, включающем пропускание кислородсодержащей газовой смеси через плазмотрон, получение на выходе плазмотрона потока смеси атомарного кислорода и охлаждение потока смеси атомарного кислорода, в отличие от прототипа кислородсодержащую газовую смесь пропускают через плазмотрон при статическом давлении менее 300 кПа так, что температура потока смеси атомарного кислорода на выходе плазмотрона превышает 3300 К, охлаждение потока смеси атомарного кислорода осуществляют посредством его смешения со сверхзвуковым эжектирующим потоком полного давления боле 0,3 МПа с температурой торможения менее 500 К, содержащим молекулярный кислород, так, что статическое давление потока Р_см на выходе области смешения и характерный масштаб d_см смешения удовлетворяют следующим соотношениям:

Р_см/P_т > 1,5 (1)

Р_см > 0,03 МПа, (2)

0,2 10^-3 м < d_см < 5 10^-3 м, (3) где Р_т - статическое давление потока смеси атомарного кислорода на входе в область смешения.

Реализация плазмодинамического способа получения озона в совокупности указанных признаков позволяет осуществить комплекс газокинетических процессов образования озона с участием атомарного кислорода, полученного за счет диссоциации кислородсодержащей газовой смеси в плазмотроне, а также молекулярного кислорода, содержащегося в эжектирующем потоке, при этом параметры торможения эжектирующего потока, величина статического давления на выходе из зоны смешения, а также характерный масштаб смешения определяются во взаимосвязи с кинетикой образования озона и параметрами процесса в плазмотроне.

В известных технических решениях не выявлены признаки, сходные с признаками, отличающими заявленное решение от прототипа. Благодаря отличительным признакам свойства плазмодинамического способа получения озона существенно отличаются от свойств известных решений, при этом техническое решение изобретения является новым, имеет изобретательный уровень и промышленно применимо.

В целом совокупность признаков предложенного способа обеспечивает преимущества по сравнению с известными способами, заключающиеся в повышении КПД и увеличении выхода озона, а также в возможности существенного увеличения энергонапряженности процессов получения озона и надежности установок при уменьшении их габаритов.

Кроме того, дополнительное повышение КПД и увеличение выхода озона достигается тем, что поток смеси атомарного кислорода охлаждают при статическом давлении менее 60 кПа в промежуточном рекуперативном теплообменнике с гидравлическим диаметром менее 310^-3 м, установленном на выходе плазмотрона перед областью смешения. Охлаждение потока смеси атомарного кислорода в теплообменнике на выходе плазмотрона при сохранении высокой концентрации атомарного кислорода на входе в сверхзвуковой эжектор позволяет повысить эффективность и КПД процесса, при этом техническое решение является новым, имеет изобретательский уровень и промышленно применимо.

Кроме того дополнительное повышение КПД и увеличение выхода озона достигается тем, что поток на выходе области смешения дополнительно охлаждают в выходном рекуперативном теплообменнике так, что температура потока на выходе выходного рекуперативного теплообменника не превышает 500 К, при этом гидравлический диаметр d_г,вых и длина зоны теплообмена L_вых выходного рекуперативного теплообменника удовлетворяют следующим соотношения

L_вых/d_г,вых > 5 (4)

L_вых/V_вых< 6,410¹⁵ e (5) где V_вых - скорость потока в выходном рекуперативном теплообменнике, м/c;

Т, Р - температура в К и давление в кПа потока на выходе области смешения соответственно.

Дополнительное охлаждение потока на выходе области смешения в выходном теплообменнике позволяет предотвратить обратные реакции разложения озона при его бинарных взаимодействиях с атомами и молекулами кислорода, а также с другими компонентами смесей. Указанное решение является новым, имеет изобретательский уровень и промышленно применимо.

Кроме того повышение КПД и увеличение выхода озона реализуется в плазмодинамическом генераторе озона при осуществлении плазмодинамического способа получения озона. В генераторе озона, содержащем последовательно установленные в газодинамическом тракте плазмотрон, подключенный к источнику кислородсодержащей газовой смеси, и средство охлаждения газового потока, в отличие от прототипа в газодинамическом тракте на выходе средства охлаждения установлен мембранный агрегат выделения озона, средство охлаждения газового потока выполнено в виде промежуточного рекуперативного теплообменника, соединенного с входом эжектируемого газа сверхзвукового эжектора, на выходе которого установлен выходной рекуперативный теплообменник, при этом на поверхность теплообмена промежуточного рекуперативного теплообменника нанесено покрытие из материала с величиной константы скорости поверхностной рекомбинации атомарного кислорода менее 2 м/с. Последовательно установленные промежуточный теплообменник с покрытием на поверхности теплообмена, сверхзвуковой эжектор и выходной теплообменник позволяют согласовать газодинамические параметры потока с комплексом газокинетических процессов, что обеспечивает повышение эффективности, КПД генератора и выхода озона при его извлечении в мембранном агрегате выделения озона. Техническое решение является новым, имеет изобретательский уровень и промышленно применимо.

Кроме того дополнительное повышение КПД и увеличение выхода озона достигается в плазмодинамическом генераторе озона за счет того, что в газодинамическом тракте после мембранного агрегата выделения озона последовательно установлены компрессор и теплообменник эжектора, при этом теплообменник эжектора подключен к входу эжектирующего сопла сверхзвукового эжектора. Использование рециркуляции позволяет повысить эффективность использования компонентов эжектирующего потока и кислородсодержащей газовой смеси, а также снизить потери озона за счет увеличения степени его извлечения. В данном исполнении плазмодинамический генератор озона отличается эжективностью, экологической чистотой и безопасностью эксплуатации. Техническое решение является новым, имеет изобретательский уровень и промышленно применимо.

На фиг. 1 изображена схема реализации плазмодинамического способа получения озона; на фиг. 2 - то же, с охлаждением потока смеси атомарного кислорода; на фиг. 3 - то же, с охлаждением потока на выходе области смешения; на фиг. 4 - схема плазмодинамического генератора озона; на фиг. 5 - то же, с рециркуляцией.

Способ осуществляют следующим образом.

Кислородсодержащую газовую смесь 1 пропускают через плазмотрон 2 при статическом давлении менее 300 кПа так, что температура потока смеси атомарного кислорода 3 на выходе плазмотрона превышает 3300 К. Охлаждение потока смеси атомарного кислорода осуществляют посредством его смешения в области 4 с эжектирующим потоком 5 полного давления более 0,3 МПа с температурой торможения менее 500 К, содержащим молекулярный кислород, в качестве которого может быть использован, например воздух, так, что статическое давление потока Р_см на выходе 6 области смешения и характерный масштаб d_см смешения 7 удовлетворяют соотношениям [1], [2], [3].

Смешение потока смеси атомарного кислорода и эжектирующего потока осуществляется в смесительной камере сверхзвукового эжектора 8, содержащего эжектирующее сопло 9, при этом поток смеси атомарного кислорода подается в эжектор через вход эжектируемого газа 10.

В частном случае реализации плазмодинамического способа получения озона с охлаждением потока смеси атомарного кислорода (фиг. 2), поток смеси атомарного кислорода дополнительно охлаждают при статическом давлении менее 60 кПа в промежуточном рекуперативном теплообменнике 11 с гидравлическим диаметром менее 3 10^-3 м, установленном на выходе плазмотрона перед областью смешения.

В частном случае реализации плазмодинамического способа получения озона с охлаждением потока на выходе области смешения (фиг. 3), поток дополнительно охлаждают в выходном рекуперативном теплообменнике 12 так, что температура потока на выходе теплообменника не превышает 500 К, при этом гидравлический диаметр d_г,вых и длина зоны теплообмена L_выхвыходного теплообменника в направлении потока удовлетворяют соотношениям [4], [5].

На фиг. 4 изображена схема плазмодинамического генератора озона, содержащего последовательно установленные в газодинамическом тракте плазмотрон 2, подключенный к источнику 13 кислородсодержащей газовой смеси, промежуточный рекуперативный теплообменник 11, соединенный с входом эжектируемого газа 10 сверхзвукового эжектора теплообменник 12. На поверхность теплообмена промежуточного рекуперативного теплообменника нанесено покрытие из материала с величиной константы скорости поверхностной рекомбинации атомарного кислорода менее 2 м/c. Ниже по потоку выходного теплообменника установлен мембранный агрегат 14 выделения озона.

В частном случае реализации плазмодинамического генератора озона (фиг. 5) в газодинамическом тракте после мембранного агрегата выделения озона последовательно установлены компрессор 15 и теплообменник 16 эжектора, при этом выход теплообменника эжектора подключен к входу эжектирующего сопла сверхзвукового эжектора 8.

В плазмодинамическом способе получения озона допустимо применение стандартных промышленных электродуговых и иных плазмотронов постоянного и переменного тока, а также высокочастотных плазмотронов мощностью 0,01-10 МВт, являющихся достаточно компактными и надежными в эксплуатации при эффективности преобразования электроэнергии в энтальпию плазменной струи порядка 60-75% . Степень диссоциации кислорода в потоке атомарного кислорода на выходе плазмотрона существенно зависит от давления и в области параметров реализации способа составляет более 80% при энергозатратах на получение одного моля атомарного кислорода с учетом эффективности плазмотрона менее 530 кДж/моль.

В сверхзвуковом эжекторе осуществляется смешение потока, содержащего атомарный кислород, с высоконапорным эжектирующим потоком, содержащим молекулярный кислород, например потоком воздуха, сопровождающееся увеличением статического давления в области смешения и интенсивным образованием озона.

Параметры торможения эжектирующего потока, величина статического давления потока на выходе из зоны смешения, а также характерный масштаб смешения определяется из комплекса взаимосвязанных газодинамических и газокинетических условий, обеспечивающих протекание последовательности реакций рекомбинации в смешивающихся потоках с участием атомарного и молекулярного кислорода при максимальном выходе озона, при этом увеличивается, что для удобства извлечения озона на выходе эжектора необходимо иметь давление потока порядка атмосферного. При определении соотношений [1], [2], [3] учитывается, что в условиях реализации способа основным кинетическим процессом образования озона является трехчастичная реакция рекомбинации атомарного и молекулярного кислорода, а основным каналом потерь атомарного кислорода - объемная рекомбинация атомов кислорода в присутствии третьей частицы. Анализ показывает, что максимальный выход озона составляет около 3% и достигается при работе сверхзвукового эжектора с коэффициентом эжекции порядка 0,05, при этом суммарные затраты электроэнергии на получение 1 кг озона не превышают 6 кВт ч.

При реализации плазмодинамического способа получения озона (фиг. 2) с охлаждением потока смеси атомарного кислорода назначением промежуточного рекуперативного теплообменника 11 является снижение температуры плазменной струи из плазмотрона при сохранении высокой концентрации атомарного кислорода. Поскольку потери атомов кислорода в потоке обусловлены, объемной трехчастичной рекомбинацией и рекомбинацией атомов на поверхности стенки теплообменника, уменьшение потерь атомов кислорода достигается при решении взаимосвязанных газодинамических и газоциклических задач и реализуется при указанных ограничениях гидравлического диаметра теплообменника и статического давления потока смеси атомарного кислорода. Дополнительное повышение КПД и увеличение выхода озона достигается при нанесении на поверхности теплообмена промежуточного рекуперативного теплообменника покрытия из материала с величиной константы скорости поверхностной рекомбинации атомарного кислорода менее 2 м/с, значение которой определяется из согласования параметров потока смеси атомарного кислорода с характерными параметрами и условиями смешения в сверхзвуковом эжекторе.

Дополнительное повышение КПД и увеличение выхода озона достигается тем, что назначением выходного теплообменника 12 является (фиг. 3) уменьшение температуры потока на выходе области смешения с целью предотвращения обратной реакции разложения озона при его бинарных взаимодействиях с атомами и молекулами кислорода, а также с другими компонентами смесей. Комплексное решение задачи с учетом параметров потоков в области смешения и совокупности газокинетических реакций дают приведенные выше ограничения по температуре потока на выходе теплообменника 12, соотношения [4], [5], связывающие гидравлический диаметр, длину зоны теплообмена выходного теплообменника, а также температуру и давление потока на выходе области смешения.

Способ получения озона реализуется в плазмодинамическом генераторе озона (фиг. 4), который работает следующим образом. После охлаждения потока смеси атомарного кислорода в последовательно установленных промежуточном теплообменнике 11, поверхность теплообмена которого остеклована кварцем или покрыта иным материалом, соответствующим условиям поверхностной рекомбинации атомарного кислорода, сверхзвуковом эжекторе 8 и выходном теплообменнике 12, поток с высокой концентрацией озона поступает в мембранный агрегат выделения озона. В вариантном исполнении выходной теплообменник может быть выполнен в виде или совмещен с дозвуковым диффузором, что снижает потери полного давления потока и в целом повышает эффективность плазмодинамического генератора озона.

В частном случае выполнения плазмодинамического генератора озона (фиг. 5) достигается эффективное использование газов эжектирующего потока, а также снижение потерь озона за счет повышения степени его извлечения. В данном исполнении плазмодинамический генератор озона отличается экологической частотой, экономичностью и безопасностью эксплуатации.

Разработанные плазмодинамический способ получения озона и плазмодинамический генератор озона для его осуществления отличается высокой эффективностью использования электроэнергии и экономичностью и позволяет создать промышленные экологические чистые, малогабаритные высокопроизводительные установки многоцелевого назначения, в том числе для использования в агрегатах очистных сооружений и технологических комплексов.