Brevet FR2393762A1 — publié le 19790105

La présente invention concerne les procédés et appareils pour la production d'qtzone. A l'heure actuelle ces appareils, appelés ozoneurs, comportent en général plusieurs éléments d'effluvation comprenant chacun deux électrodes qui sont séparées par un diélectrique. Selon la forme de ces électrodes (tubulaire ou plane) on désigne l'appareil correspondant par l'expression ozoneur à tubes ou ozoneur à plateaux, le fonctionnement de ces deux types d'appareils étant cependant identique. Le principe de fonctionnement d'un tel appareil est simple un transformateur fournit aux armatures du condensateur que constitue l'élément d'efftuvation. une tension alternative élevée, et lorsque la tension appliquée dépasse une valeur déterminée dite tension de seuil, l'effluvation génératrice d'ozone se produit entre les deux électrodes. Dans de tels appareils, étant donné la vitesse de circulation du gaz contenant de l'oxygène qui est soumis à l'effluvation, et le régime d'alimentation électrique alternatif et permanent, il se produit des phénomènes qui ont pour effet de diminuer considérablement le rendement global de production d'ozone : tout d'abord le bombardement électronique permanent auquel est soumis le courant gazeux provoque la décomposition d'une partie de l'ozone déjà formé, suivant le schéma: e + 0 02 2 + 10 Kcal/mole. Par ailleurs, il s'établit un courant ionique, mélange de + 0 , 03 et O 2 se chargeant sur les électrodes, qui ne participe pas à la 2 formation d'ozone et représente une perte d'énergie. 1l résulte de ces divers phénomènes qu'il faut consommer environ 18 wh pour produire lg. d'ozone dans des conditions déterminées de température et de pression alors que la valeur théorique résultant de l'application de la formule 302 203 ( - 68 Kcallmole) est de 0, 82wh/g. ozone dans les mêmes conditions de température et de pression. Le rendement énergétique, mesuré par le rapport de 11 énergie théoriquement nécessaire à l'énergie réellement consommée est donc de l'ordre de 4 à 5%. Le but de cette invention est d'améliorer de façon sensible le rendement de production d'ozone. au en d'autres termes de diminuer 11 énergie nécessaire pour produire une quantité déterminée d'ozone, toutes choses égales par ailleurs. A cet effet, elle a pour objet un procédé de fabrication d'ozone selon lequel on fait passer un courant d'oxygène ou de gaz contenant de l'oxy- gène dans un conduit entouré par une cavité résonnante et l'on alimente de fa çon discontinue cette cavité à partir d'un générateur hyperfréquence. Suivant d'autres caractéristiques: - la cavité résonnante constitue une charge adaptée pour le générateur; - le générateur hyperfréquence fournit des impulsions ou des trains d'ondes séparés par des temps de repos,les durées respectives des impulsions et des temps de repos, ainsi que la vitesse de circulation de l'oxy- gène ou du gaz contenant de l'oxygène étant telles qu'un volume déterminé de gaz n'est soumis qu'à une seule impulsion ou un seul train d'impulsions. L'invention a également pour objet un appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé, comprenant au moins un conduit relié à une source d'oxygène ou de gaz contenant de l'oxygène, une cavité résonnante entourant le ou chaque conduit et un générateur hyperfréquence relié à ladite cavité. Suivant d'autres caractéristiques: - la cavité résonnante constitue une charge adaptée pour le générateur hyperfréquence, - le conduit a une forme de venturi et comprend un convergent, une partie cylindrique placée dans la cavité résonnante et un divergent; - au niveau de la cavité résonnante,le conduit, réalisé en acier inoxydable, est entouré par un tube en un matériau diélectrique. Ces divers aspects de l'invention vont être précisés cidessous, en se référant au dessin annexé dont: - la Fig. 1 représente schématiquement un appareil de production d' ozone selon l'invention; - la Fig. 2 est un schéma d'un ensemble de régulation de cet appareil. On voit sur le schéma de la Fig. 1 une installation de production d'ozone suivant l'invention. Cette installation comprend principalement une source 1 d'oxygène ou de gaz contenant de l'oxygène, fournie sous une pres 3 sion d'environ 7 à 8 bars et sous un débit de l'ordre de 6m par heure, ce débit pouvant par exemple varier entre 3,5m /heure et 8,5m /heure. Il est entendu que dans la suite de la description, les pressions indiquées sont des pressions absolues tandis que les volumes sont supposés correspondre à des conditions normales de température et de pression. La ligne de conditionnement du gaz.fourni par la source comprend, de façon classique, un déshuileur 2, un dessicateur 3, un détendeur régulateur de pression 4 à la sortie duquel la pression peut être de l'ordre de 1,7 à 2,2 bars. n est ensuite prévu, de part et d'autre d'un réacteur R de production d'ozone qui sera décrit plus en détail ci-après,deux manomètres 5 et 6 puis un thermomètre 7,un débitmètre 8 et enfin un conduit 9 de sortie du gaz ozoné,pourvu d'une vanne de réglage et sur lequel est piqué un conduit 10 de prise d'échantillon. Le réacteur proprement dit de production d'ozone comprend principalement un conduit 11 en acier inoxydable comportant une première partie 12 convergente suivie d'une partie cylindrique 13 et d'une partie divergente 14. Les dimensions des différents tronçons de ce conduit peuvent etre par exemple les suivantes : à l'entrée le conduit 11 a un diamètre de l'ordre de 20 à 30mm,par exemple de 22mm; le convergent a une longueur de l'ordre de 30mm et un angle au sommet de 15 à 25 et de préférence d'environ 20" la partie cylindrique intermédiaire présente un diamètre de l'ordre de lOmm et une longueur qui peut être de 30mm ; le divergent a une longueur supérieure, par exemple de l'ordre de 80 à 100mm, et un angle d'ouverture compris entre 5 et 100, par exemple de 8". La partie intermédiaire cylindrique du conduit 11 est entourée par un tube 15 d'une substance isolante diélectrique telle que verre ou "puy~ rex " et par une cavité résonnante 16. Cette cavité a par exemple la forme d'un parallélépipède rectangle et est réalisée en cuivre usiné avec une très grande précision, par exemple au centième de millimètre, et doré intérieurement. Cette cavité résonnante est entourée par un chemisage 17 parcouru par un fluide de refroidissement. Le réacteur est complété par un générateur hy perfréquence 18 qui peut etre de tout type connu et constitué par exemple par un magnétron ou par un circuit à transistors. Le générateur hyperfréquence 18 est relié par une ligne coaxiale à la cavitérésonnante,cette dernière constituant une charge adaptée pour le générateur hyperfréquence. La fréquence des ondes fournies par le générateur peut être comprise entre 500 et 10. 000 MHz et de préférence comprise entre 1.000 et 3. 000 MHz. Par ailleurs, la puissance de ce générateur peut être comprise par exemple entre 100 watts et 50 kilowatts, en fonction des caractéristiques de l'installation que l'on réalise. Cependant ces valeurs ne sont pas limitatives. Le fonctionnement d'un tel réacteur est le suivant le générateur hyperfréquence alimente la cavité résonnante en impulsions ou plus exactement en trains d'impulsions séparés par des temps de repos La durée respective des trains d'impulsions et des temps de repos est variable, à la fois en fonction des caractéristiques du réacteur, des caractéristiques de débit et de vitesse du gaz à traiter, et des performances que l'on souhaite obtenir. A titre d' exemple, pour une fréquence de 2.400 MHz,la durée des impulsions ou des trains d'impulsions peut être de l'ordre de 1 microseconde pour un temps de repos de 9 microsecondes.La cavité résonnante constituant une charge adaptée pour la source hyperfréquence, on obtient un coefficient de surtension élevé et l'on ' établit dans cette cavité un champ électromagnétique dont l'intensité est maximale, dans l'exemple choisi, dans la région médiane de la cavité résonnante c' est à dire au niveau du conduit dans lequel passe le gaz à traiter. n en résulte dans ce conduit une effluvation ou un tir d'électrons qui a pour effet,lorsqutun seuil minimal d'énergie d'ionisation est atteint (comrpis entre 3,7 et 7,4 électron volts environ), de dissocier des molécules d'oxygène et de provoquer la fixation d'atomes d'oxygène sur d'autres molécules d'oxygène pour obtenir de l'ozone, suivant la réaction 302 4 2%. En réalité, du fait de la vitesse de circulation relativement élevée du gaz à traiter, l'effluva- tion se poursuit dans le divergent et ceci constitue une caractéristique importante du procédé suivant l'invention.En effet, grâce à la présence du venturi, la pression qui a l'entrée est de l'ordre de 1,7 à 2 bars descend au niveau du col du venturi et donc dans la partie cylindrique, à une valeur de l'ordre de 1,3 à 1, bars pour remonter dans le divergent à une valeur de l'ordre de 1,7 à 2 bars,valeur qu'il convient de diminuer bien entendu des pertes de charge. Or, étant donné que la réaction de transformation d'oxygène en ozone s'effectue avec une diminution de volume, en appliquant la règle des phases on constate que l'augmentation de pression qui se produit en passant de la zone cylindrique à la zone divergente provoque un déplacement de l'équilibre dans un sens tel que la pression aura tendance à diminuer et donc dans un sens favorable à la formation d'ozone. Cette caractéristique portant sur la forme du tube dans lequel circulent' le gaz à traiter et le gaz ozoné a donc un effet positif sur le rendement en ozone. Un autre point essentiel réside dans.le fait que l'alimentation de cavité résonnante est effectuée en régime non permanent (trains d'impulsions séparés par des temps de repos). n en résulte que pendant ce temps de repos le gaz qui a été soumis à l'effluvation et ionisé, et donc transformé en plasma, se trouve remplacé au moment de l'envoi du train d'ondes suivant par du gaz frais, ce qui évite d'une part la destruction partielle de l'ozone déjà formé et, d'autre part, l'établissement du courant ionique néfaste qui dans les ozoneurs classiques diminue le rendement d'obtention d'ozone. Les principaux paramètres qui permettent de contrôler et de régler les caractéristiques de fonctionnement d'un tel réacteur sont d'une part le débit et la pression du gaz à traiter, oxygène ou gaz contenant de l'oxygène et d'autre part la tension crête du générateur hyperfréquence et la fréquence de récurrence des impulsions ou des trains d'impulsions qui sont fournis par ce générateur à la cavité résonnante. I1 existe en effet une relation directe entre la tension crête et l'intensité maximale du champ établi dans la cavité résonnante et il est clair que plus la fréquence de récurrence précitée est élevée,plus l'énergie fournie à la cavité résonnante est élevée. Cependant, au delà d'un certain seuil, le rendement diminue et une partie importante de l'énergie fournie se trouve transformée en chaleur. On peut en déduire un système de régulation sommaire d'un tel réacteur, dont le schéma est représenté à la Fig. 2 On retrouve sur ce schéma la cavité résonnante 16 traversée par le conduit 11 ainsi que le générateur hyperfréquence 18 et la ligne 19 qui le relie à la cavité résonnante. Il est prévu de plus un processeur 20 ainsi que deux détecteurs 21, 22 mesurant respectivement la pression et la température immédiatement en aval de la cavité résonnante 16.Ces deux détecteurs fournissent au processeur 20 des in formations représentatives des conditions qui règnent dans le réacteur et, après traitement de ces informations et comparaison à des valeurs de consigne, le processeur émet des signaux de commande transmis au générateur hyperfré quence et dont le premier symbolisé par la ligne 23 règle la tension crête de ce générateur tandis que le second symbolisé par la ligne 24 détermine la va leur de la fréquence de récurrence des trains d'impulsions émis par ce même générateur. Les avantages essentiels du procédé et de l'appareil que l'on vient de décrire résident dans une amélioration très sensible du rendement de production d'ozone qui peut être au moins doublé par rapport aux ozoneurs classiques. Par ailleurs,un tel réacteur peut être d'un encombrement extreme- ment réduit, cet encombrement pouvant encore être diminué en disposant le générateur hyperfréquence au voisinage immédiat de la cavité résonnante et en le reliant à cette cavité par un guide d'onde de longueur aussi faible que possible. D'autres modifications peuvent par ailleurs être apportées à ce réacteur; c'est ainsi que l'on peut prévoir dans une même cavité résonnante plusieurs conduits de circulation de gaz à traiter, ces conduits étant disposés en des emplacements qui correspondent aux ventres de tension dans la cavité. On peut par ailleurs associer plusieurs réacteurs disposés en parallèle. - REVENDICATIONS 1 - Procédé de fabrication d'ozone caractérisé en ce qu'on fait passer un courant d'oxygène ou de gaz contenant de l'oxygène dans un conduit (11) entouré par une cavité résonnante (16) et l'on alimente de façon discontinue cette cavité à partir d'un générateur hyperfréquence (18). 2 - Procédé de fabrication d'ozone suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la cavité résonnante constitue une charge adaptée pour le générateur. 3 - Procédé de fabrication d'ozone suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2,caractérisé en ce que le générateur hyperfréquence fournit des impulsions ou des trains d'ondes séparés par des temps de repos, les durées respectives des impulsions et des temps de repos, ainsi que la vitesse de circulation de l'oxygène ou du gaz contenant de l'oxygène étant telles qu'un volume déterminé de gaz n'est soumis qu'à une seule impulsion ou un seul train dtimpulsion. 4 - Procédé de fabrication d'ozone suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on règle la tension crête du générateur et la fréquence de récurrence des impulsions ou des trains d'impulsions fournis par ce générateur, en fonction des valeurs mesurées de grandeurs représentatives du déroulement du procédé, telles que la température et la pression du gaz contenu dans le conduit. 5 - Appareil pour la mise en oeuvre du procédé tel que dé fi- ni aux revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un conduit (11) relié à une source (1) d'oxygène ou de gaz contenant de l'oxygène, une cavité résonnante (16) entourant le ou chaque conduit et un générateur hyperfréquence (18) relié à ladite cavité. 6 - Appareil suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la cavité résonnante constitue une charge adaptée pour le générateur hyperfréquence. 7 - Appareil suivant l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que le conduit (11) se trouve dans une zone de la cavité où l'intensité du champ produit est maximale. 8 - Appareil suivant l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le conduit (11) a une forme de venturi et comprend un convergent (12), une partie cylindrique (13) placée dans la cavité résonnante et un divergent (14). 9 - Appareil suivant l'une quelconque des revendications 5 à 8,caractérisé en ce qu'au niveau de la cavité résonnante,le conduit (11) réalisé en acier inoxydable, est entouré par un tube en matériau diélectrique.