УСТРОЙСТВО ДЛЯ СИНТЕЗА ОЗОНА Российский патент 2016 года по МПК C01B13/11 C25B11/00 

Изобретение относится к технологическому оборудованию, предназначенному для использования в производстве озонаторных установок.

Известен (Патент RU №2322386 С2, опубл. 20.04.2008 г., бюл. №11), принятый за прототип, ГО с электродами, состоящими из мембран в виде герметичной полой тонкостенной конструкции со штуцерами для подвода и отвода теплоносителя. Мембраны изготовлены из металла или сплава с вентильными свойствами, и на их поверхности создан оксидный слой из того же металла, выполняющий со стороны, обращенной к разрядному промежутку, функцию диэлектрического барьера. Применение металлов с вентильными свойствами для изготовления мембран позволяет, во-первых, заменить дорогостоящую нержавеющую сталь на более экономичный конструкционный материал, во-вторых, способствует уменьшению энергозатрат на синтез озона, поскольку в отличие от высокотемпературного эмалирования позволяет создавать на основе этого же металла более тонкий, сформированный при нормальной температуре, оксидный барьерный слой с высокими диэлектрическими свойствами.

Недостатками этой конструкции являются:

- проблематичность создания тонкостенных электродов с повторяемыми характеристиками и обеспечения расчетной эквидистантности разрядного промежутка между ними, особенно при малой величине зазора;

- отсутствие в электродах средств повышения эффективности их охлаждения;

- недостаточный уровень качества и надежности присоединения штуцеров в зоне стыка мембран.

Указанные недостатки электродов устранены в пластинчато-ребристой конструкции электрода (ПРЭ) озонаторной установки (Патент RU №2509180 С2, МПК C25B 11/00, опубл. 19.03.2014 г., бюл. №7). ПРЭ представляет собой полую герметичную (цельнопаяную) конструкцию со штуцерами для входа и выхода теплоносителя, состоящую из двух мембран с центральным отверстием и отбортовкой по внешнему и внутреннему диаметрам каждая, выполненной для формирования электрического разряда в пределах активной зоны электрода, наружного и внутреннего проставочных колец, определяющих высоту электрода, а также из размещенной между ними во внутренней полости электрода и имеющей тепловой контакт с мембраной насадки с развитой поверхностью теплообмена. Проставочные кольца и насадка при этом имеют одинаковую высоту, а указанные штуцера расположены диаметрально на наружном простановочном кольце. Тепловой контакт внутренних поверхностей мембран с насадкой и проставочными кольцами, а также герметичность электрода обеспечивают вакуумной пайкой. Мембраны электрода изготовлены из металла или сплава с вентильными свойствами, а на их наружных поверхностях создан оксидный слой из того же металла, выполняющий со стороны, обращенной к разрядному промежутку, функцию диэлектрического барьера.

К недостаткам конструкции известного ПРЭ следует отнести: а) недостаточную поверхность теплообмена, которая необходима для охлаждения электродов при синтезе озона высоких и сверхвысоких концентраций; и б) затруднительность качественной пайки штуцеров электрода.

Недостатком же конструкции основанного на двухэлектродной схеме ГО с такими (ПРЭ) электродами является то, что синтез озона происходит в одном разрядном промежутке (между двумя электродами). Количество зазоров (разрядных промежутков) в ГО определяется соотношением:

n=N-1,

где n - количество зазоров, N - число пар электродов.

Поэтому для повышения производительности такого ГО приходится увеличивать число пар электродов, что приводит, в том числе, к увеличению металлоемкости конструкции.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в создании экономичного при изготовлении и эксплуатации ГО для озонаторных установок широкого спектра применения.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении производительности ГО и, соответственно, возможности получения высокой и сверхвысокой концентрации озона при минимальных энергозатратах.

Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство для синтеза озона представляет собой систему, состоящую из двух цилиндрических алюминиевых пластинчато-ребристых электродов (ПРЭ), между которыми с заданной величиной разрядного промежутка (определяется высотой дистанцирующих изолирующих прокладок) размещен третий электрод в виде диска, при этом каждый из указанных цилиндрических ПРЭ системы подключен к источнику питания переменного тока и представляет собой полую герметичную конструкцию со штуцерами для подвода и отвода охлаждающей жидкости, состоящую из двух дисковых мембран с центральным отверстием и отбортовкой по внешнему и внутреннему диаметрам каждая для формирования электрического разряда в пределах активной зоны электрода, наружного и внутреннего проставочных колец, а также из размещенной между ними во внутренней полости электрода и имеющей тепловой контакт с мембраной насадки (далее - теплообменная насадка), причем мембраны указанных цилиндрических ПРЭ и дисковый электрод выполнены из металла или сплава с вентильными свойствами, а на их наружных поверхностях создан наноструктурированный оксидный слой из того же металла или сплава, выполняющий со стороны, обращенной к разрядному промежутку, функцию диэлектрического барьера.

В отличие от известных двуэлектродных схем заявленное устройство основано на трехэлектродной схеме. В этом случае количество зазоров (разрядных промежутков) между электродами увеличивается в 2 раза, поэтому при напряжении зажигания и выше него синтез озона в такой системе происходит одновременно в двух разрядных промежутках, что, соответственно, приводит к возрастанию производительности ГО при одной и той же величине приложенного напряжения. ГО большой производительности может иметь десятки и сотни таких систем.

Заявленное устройство имеет низкую удельную металлоемкость.

Возможность получения высокой (до 150 г/м³) и сверхвысокой (до 250 г/м³) концентрации озона при минимальных энергозатратах появляется наряду с оптимизацией выходных параметров озонатора (концентрация озона; расход рабочего газа; производительность ГО и удельные энергозатраты на синтез).

Вышеуказанный технический результат достигается при реализации любой из двух схем подключения электродов системы к источнику питания:

1) все электроды системы подключены к источнику питания;

2) крайние электроды системы подключены к источнику питания, третий (средний) дисковый электрод не подключен к источнику питания и является биполярным.

Качество и эксплуатационная надежность заявленной системы ГО обусловлена конструкцией используемых в нем электродов, материалом дисковых мембран электродов и их покрытием.

На поверхности всех трех электродов системы электрохимическим путем (оксидирование) сформировано контролируемое по толщине и свойствам технологическим процессом его образования наноструктурированное анодное оксидное барьерное покрытие (АОП) из металла или сплава с вентильными свойствами, которое имеет уникальную наноразмерную ячеисто-пористую структуру, что заставляет относиться к нему не как к изолятору на поверхности электродов ГО, а как к барьеру n-типа (является полупроводником n-типа). Оптимальное соотношение температуры электролита и плотности тока оксидирования обеспечивает минимальное изменение диаметра пор АОП при постоянном периоде структуры оксида и, тем самым, позволяет создать условия для образования анодного оксида с повторяемой упорядоченной структурой. При одинаковых условиях оксидирования (гальваностатическое анодирование в 3% растворе щавелевой кислоты (C₂H₂O₄) в течение 3 ч при плотности тока 2 А/дм² и температуре электролита 25°C) толщина (δ), tgθ (tg угла диэлектрических потерь) и ε (диэлектрическая проницаемость) АОП, формируемого на поверхности электрода, отличаются (см. таблицу 1) в зависимости от материала мембраны - типа металла или сплава с вентильными свойствами.

Отличительной особенностью используемых в системе электродов с АОП является их высокая эксплуатационная надежность, обусловленная возможностью самопроизвольного восстановления их работоспособности, если в результате аварийного повышения напряжения происходит пробой АОП. Механизм обнаруженного явления «залечивания» АОП в местах пробоя происходит в результате химического окисления алюминия при повторном включении рабочего напряжения. Это подтверждается большими отрицательными значениями энергии Гиббса соответствующих реакций:

Кроме того, после удаления травлением с пробитого электрода АОП на его поверхности в зоне пробоя возникают оксиды кристаллического Al₂O₃, микротвердость которых значительно выше микротвердости аморфного оксида АОП.

Для сравнения в таблице 2 приведены параметры синтеза озона, полученные на лабораторном ГО с электродами, имеющими а) стеклоэмалевый диэлектрический барьер и б) АОП. Табличные данные свидетельствуют о преимуществах электродов с АОП.

Диаметр используемого в системе третьего дискового электрода для формирования электрического разряда в пределах активной зоны электродов должен быть на 5-10 мм больше диаметра цилиндрических ПРЭ системы.

В частном случае исполнения изобретения в качестве третьего электрода может быть применен ПРЭ с диаметром, равным двум другим электродам системы, состоящий из двух дисковых мембран без центрального отверстия и с отбортовкой по внешнему диаметру каждая для формирования электрического разряда в пределах активной зоны электрода, а также из имеющих тепловой контакт с мембраной наружного проставочного кольца и размещенной во внутренней полости электрода теплообменной насадки. Конструкция такого ПРЭ (далее - дисковый ПРЭ) отличается от конструкции цилиндрического ПРЭ выполнением мембран в виде сплошного диска с отбортовкой только по наружному диаметру, отсутствием внутреннего простановочного кольца и, соответственно, увеличенной поверхностью теплообменной насадки, которая имеет форму сплошного диска. В случае применения в качестве среднего электрода дискового ПРЭ температура рабочего газа в разрядных промежутках ниже, чем при использовании дискового электрода, поэтому параметры синтеза озона лучше, особенно при высоких его концентрациях или большой производительности ГО.

Преимуществами используемых в заявленной системе конструкций ПРЭ (цилиндрических и дисковых) являются их повторяемые геометрические характеристики, обеспечивающие гарантированную их эквидистантность при сборке системы электродов с минимальным разрядным промежутком (от 0,1 мм) и эффективное охлаждение водой или коррозионно-неактивными хладагентами за счет высокой теплопроводности АОП при малой толщине (до 100 мкм).

Эффективность охлаждения мембран ПРЭ можно улучшить за счет увеличения поверхности теплообменной насадки. Профиль используемых в ПРЭ теплообменных насадок может быть оптимизирован как за счет увеличения количества составляющих их слоев, так и за счет их конфигурации. Так, например, в дисковом ПРЭ, который в частном случае выполнения изобретения может быть использован в системе в качестве среднего электрода, поверхность контакта теплообменной насадки с мембранами увеличена за счет выполнения ее в форме диска (сплошного круга).

За счет увеличения высоты ПРЭ, которая определяется высотой простановочных колец, возможно обеспечить более качественную пайку штуцеров электрода.

Для пояснения сущности заявленного изобретения представлены следующие графические материалы:

- фиг. 1 - схема устройства для синтеза озона;

- фиг. 2 - цилиндрический ПРЭ ГО (поперечный разрез);

- фиг. 3 - схема подключения электродов устройства к источнику питания: а) - все электроды подключены к источнику питания; б) - третий (средний) электрод не подключен к источнику питания и является биполярным.

В качестве доказательства осуществления заявленного изобретения с достижением вышеуказанного технического результата приводится описание конкретной, но не единственно возможной конструкции заявленного ГО, основанного на трехэлектродной схеме.

На фиг. 1 дана схема ГО, который представляет собой систему, состоящую из двух паяных цилиндрических алюминиевых ПРЭ 1, между которыми с заданной величиной разрядного промежутка 2, определяемого высотой дистанцирующих изолирующих прокладок 3, размещен третий (средний) 4 электрод. Схема подключения электродов к источнику питания (все три электрода подключены к источнику питания) показана на фиг. 3 а).

Каждый из крайних в системе цилиндрических ПРЭ 1 представляет собой полую герметичную цельнопаяную конструкцию, которая состоит (фиг. 2) из двух мембран 5 с центральным отверстием 6 для выхода озона (O₃) после электросинтеза озона из кислорода (O₂) и с отбортовками 7, 8 по внешнему и внутреннему диаметрам соответственно каждая, выполненными для формирования электрического разряда в пределах активной зоны электрода; наружного 9 и внутреннего 10 проставочных колец, определяющих высоту электрода, а также из размещенной между ними и имеющей тепловой контакт с мембранами 5 насадки 11 с развитой поверхностью теплообмена. Высота проставочных колец 9 и 10 при этом равна высоте теплообменной насадки 11. Тепловой контакт внутренних поверхностей мембран 5 с теплообменной насадкой 11 и проставочными кольцами 9, 10, а также герметичность электрода обеспечивают вакуумной пайкой.

В качестве среднего 4 электрода применяется паяный алюминиевый дисковый ПРЭ с диаметром, равным двум крайним ПРЭ, но с увеличенной поверхностью теплообменной насадки 10 за счет использования мембран 5 в виде сплошного диска каждая (без центрального отверстия).

Мембраны 5 всех ПРЭ системы изготовлены из сплава АМцС. На наружных поверхностях всех трех электродов (1-4) и (4-1) электрохимическим путем сформировано наноструктурированное АОП (не показано), которое является полупроводником n-типа и выполняет со стороны, обращенной к разрядному промежутку, функцию диэлектрического барьера.

К внутренней поверхности каждой из мембран 5 примыкают плакированные припоем с двух сторон перфорированные алюминиевые диски (не показаны), которые необходимы для формирования паяного соединения мембран 5 с теплообменной насадкой 11 и простановочными кольцами 9, 10.

Штуцера 12 для подвода и отвода охлаждающей жидкости из электрода расположены диаметрально на наружном 9 простановочном кольце.

При напряжении зажигания и выше него синтез озона происходит одновременно в двух разрядных промежутках - между каждой парой электродов.

Технология изготовления входящих в описываемую систему ПРЭ (цилиндрических и дискового) обеспечивает:

- повторяемые геометрические характеристики электродов;

- гарантированную эквидистантность зазора при сборке в ГО с минимальным разрядным промежутком (от 0,1 мм);

- эффективное охлаждение за счет высокой теплопроводности АОП при его малой толщине и оптимизации профиля теплообменных насадок 11, размещенных во внутренней полости ПРЭ 1;

- низкую удельную металлоемкость;

- возможность восстановления работоспособности электрода в случае пробоя покрытия;

- сохранение свойств диэлектрического барьера на протяжении всего срока эксплуатации.

Изобретение относится к технологическому оборудованию, предназначенному для использования в производстве озонаторных установок. Устройство состоит из, по меньшей мере, одной электродной системы, включающей два подключенных к источнику питания переменного тока паяных пластинчато-ребристых электрода (ПРЭ) и размещенный между ними с заданной величиной разрядного промежутка средний ПРЭ. Каждый из крайних ПРЭ состоит из двух дисковых мембран, каждая с центральным отверстием для выхода синтезированного озона и отбортовкой по внешнему и внутреннему диаметрам для формирования электрического разряда в пределах активной зоны электрода, наружного и внутреннего проставочных колец, а также размещенной между проставочными кольцами во внутренней полости электрода и имеющей тепловой контакт с мембраной насадки. Средний ПРЭ состоит из двух дисковых мембран без центрального отверстия и с отбортовкой по внешнему диаметру каждая, а также из имеющих тепловой контакт с мембраной наружного проставочного кольца и насадки, размещенной во внутренней полости электрода. Мембраны всех указанных ПРЭ выполнены из металла или сплава с вентильными свойствами. Функцию диэлектрического барьера на электродах со стороны, обращенной к разрядному промежутку, выполняет сформированный на их наружных поверхностях наноструктурированный оксидный слой из металла или сплава с вентильными свойствами. Технический результат: повышение производительности, получение высокой и сверхвысокой концентрации озона при минимальных энергозатратах. 5 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

1. Устройство для синтеза озона, характеризующееся тем, что состоит из, по меньшей мере, одной электродной системы, включающей:
два подключенных к источнику питания переменного тока паяных пластинчато-ребристых электрода (ПРЭ), каждый из которых состоит из двух дисковых мембран, каждая с центральным отверстием для выхода синтезированного озона и отбортовкой по внешнему и внутреннему диаметрам для формирования электрического разряда в пределах активной зоны электрода, наружного и внутреннего проставочных колец, а также из размещенной между проставочными кольцами во внутренней полости электрода и имеющей тепловой контакт с мембраной насадки, и
размещенный между ними с заданной величиной разрядного промежутка средний ПРЭ, состоящий из двух дисковых мембран без центрального отверстия и с отбортовкой по внешнему диаметру каждая, а также из имеющих тепловой контакт с мембраной наружного проставочного кольца и насадки, размещенной во внутренней полости электрода,
при этом мембраны всех указанных ПРЭ выполнены из металла или сплава с вентильными свойствами, а функцию диэлектрического барьера на электродах со стороны, обращенной к разрядному промежутку, выполняет сформированный на их наружных поверхностях наноструктурированный оксидный слой из металла или сплава с вентильными свойствами.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средний ПРЭ системы подключен к источнику питания.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средний ПРЭ системы отключен от источника питания, являясь биполярным.

4. Устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что каждый из крайних ПРЭ системы представляет собой полую герметичную конструкцию со штуцерами для подвода и отвода охлаждающей жидкости.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что штуцера электродов расположены диаметрально на наружном простановочном кольце.

6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что тепловой контакт внутренних поверхностей мембран с теплообменной насадкой и проставочными кольцами, а также герметичность электрода обеспечиваются вакуумной пайкой.