УСТРОЙСТВО ДЛЯ СИНТЕЗА ОЗОНА
DEVICE FOR OZONE SYNTHESIS

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.
3
3
Возможность получения высокой (до 150 г/м) и сверхвысокой (до 250 г/м) 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.
2
2
4
2
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 (CHO) в течение 3 ч при плотности тока 2 А/дм 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:
2
3
Кроме того, после удаления травлением с пробитого электрода АОП на его поверхности в зоне пробоя возникают оксиды кристаллического AlO, 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).
3
2
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 (O) после электросинтеза озона из кислорода (O) 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.