книги из ГПНТБ / Кожинов В.Ф. Озонирование воды

рования обеззараженная вода направляется в резервуар чистой воды по трубе 19.

Доза озона обычно колеблется от 0,8 до 4 мг/л в зависи­ мости от качественных показателей исходной воды.

Для контроля за качественной стороной технологического процесса обработки воды служит измерительная аппаратура, выполняющая непрерывную автоматическую запись дозы озо­ на, поступившей в воду.

2. ЭЛЕКТРОСИНТЕЗ ОЗОНА

Озон получается синтетически, действием '«тихого» электри­ ческого разряда на пропускаемый через генератор воздух или

Рис. 37. Размещение электро­ дов- и диэлектрика в пластин­ чатом озонаторе

Рис. 38. Размещение электродов и диэлектрика в трубчатом озо­ наторе

/ — зона тихого разряда; 1 — трубка из нержавеюще;! стали (электрод низ­ кого напряжения); 2 — стеклянная трубка (электрод высокого напряжения)

кислород. Термин «тихий» разряд не вполне правилен, так как в действительности имеет место «лучистый» разряд. Следова­ тельно, генератор озона представляет собой фактически излу­ чатель, состоящий игг двух электропроводимых поверхностей — электродов, расположенных через небольшой интервал друг от друга. Конструктивно электроды выполняют в виде двух парал­ лельных пластин (рис. 37) или двух концентрично размещен­ ных цилиндров разного диаметра (рис. 38). К внутренней по­

70

верхности юдиого из электродов,, а иногда и к поверхности обоих электродов плотно прикреплен диэлектрический материал, ко­ торый должен иметь возможно большее удельное поверхностное сопротивление и диэлектрическую постоянную. В большинстве случаев в качестве диэлектриков используют обычное или бор­ но-силикатное стекло. Слой такого материала служит диэлектри­ ческим барьером; он исключает образование разрядов искро­ вой или дуговой формы и обусловливает равномерную структуру разряда. Одновременно диэлектрик выполняет роль реактивного буферного сопротивления, ограничивающего ток в цепи разря­ да. Присутствие в электрической цепи диэлектрического сопро­ тивления вызывает необходимость обязательного питания озонатора только переменным током.

Между диэлектриком Д (рис. 39, а) й противоположным электродом Э или между обоими диэлектриками (рис. 39, б) оставляется воздушная прослойка Я. Возможно также разме­ стить один диэлектрик посредине между двумя воздушными прослойками, так как это показано на рис. 39, в. Здесь же имеется трансформатор Т, обслуживающий озонирующую уста­ новку. Если присоединить электроды к источнику переменного тока высокого напряжения Т, то в промежуточном простран­ стве Я возникает интенсивный лиловый свет. Он представляет собой видимое проявление тихого электрического разряда. Если через этот разряд пропускать кислород, то начнется образование озона. Практически через источник тихого разряда чаще всего пропускают атмосферный воздух, предварительно прошедший глубокую осушку до влагосодержания не более 0,05 г/м3. Ис­ пользуется также чистый кислород, в частности при решении некоторых задач в химической промышленности.

Разряд характеризуется двумя весьма различными темпера­ турами: электронной и молекулярной. Поскольку движение электронов является более быстрым, чем движение молекул, то и соответствующая ему температура достигает 10—20 тыс. °С. Это создает условия для интенсивной бомбардировки молекул кислорода, в результате которой и создаются молекулы озона. Так как молекулярная температура разряда находится в преде­ лах лишь нескольких десятков градусов, то образовавшиеся моле­ кулы озона сохраняют устойчивость. Как указывалось выше, тихий разряд сопровождается тепловыделением, а это требует охлаждения электродов и диэлектриков во избежание повреж­ дения последних. Одновременно достигается и охлаждение поля «тихого» разряда, необходимое для предотвращения прежде­ временного разрушения образовавшегося озона, поскольку с по­ вышением температуры значительно ускоряется расщепление озона в разряде.

Количество озона, образующегося в .генераторе, прямо про­ порционально мощности, расходуемой при разряде, если кон­ центрация озона и температурные условия остаются постоян­

71

ными. В связи с тем что 85—95% потребляемой электроэнергии затрачивается на тепловыделение, в месте разряда возможно повышение температуры, если не обеспечить необходимого ох­ лаждения. -В связи с этим количество электроэнергии, которое затрачивается на получение разряда, строго ограничивают [49].

Производительность озонатора может возрастать с увеличе­ нием подводимой мощности, но до предела, зависящего от системы охлаждения. Пропорциональность изменения произво­ дительности будет нарушена, если не выдержать условие постоян­ ства концентрации озона. Во избежание этого необходимо одно­ временно с повышением мощности увеличить и количество воздуха, проходящего через озонатор.

Исследования, проведенные во Франции, позволяют опреде­ лить количество вырабатываемого озона G 03 в функции от мощ­

один элемент озонатора количество производимого озона со­ ставляет 6,2—9,4 г/ч, расход воздуха 0,2—0,5 м3/ч, а скорость прохода его через разрядное пространство 0,08—0,2 м/сек.

Для озонатора марки Шуази-7500 при подводимой мощности 20 кв количество вырабатываемого озона на один элемент рав-

72

но 14,9 г1ч, расход воздуха составляет 0,в м3/ч, а скорость его прохода через разрядное пространство 0,3(1 м/сек. Надо иметь в виду, что чрезмерное повышение расхода воздуха, а следо­ вательно, и скорости его прохода через разрядный промежуток ведет к замедлению роста производства озона. Энергетический к. п. д. зависит от концентрации озона в озонированном воз­ духе. В настоящее время на практике используются озонаторы, создающие концентрации от 10 до 25 г/м3. Оптимальный энер­ гетический к. п. д. соответствует концентрации около 14 г/м3. Вес 1 л озона (табл. 18) составляет

Потребление электроэнергии Э в вт-ч на 1 г озона опреде­

Изменение величины Э в диапазоне концентрации от 10 до

20г/м3 является незначительным, что видно из табл. 19. Средняя величина энергетического к. п. д. составляет около

21квт-ч/кг озона, из которых 15% расходуются вспомогатель­ ной аппаратурой (компрессорами, установками кондициониро­ вания воздуха и циркуляции охлаждающей воды).

Заметное влияние на производительность озонатора оказы­ вает влажность воздуха или кислорода, используемых для обра­ зования озона. Даже небольшое количество влаги (около 0,02— 0,03 .«г воды на 1 л воздуха) уже существенно отражается на

73

Т а б л и ц а 19

Потребление электроэнергии в зависимости от концентрации озона

Потребление

электроэнергии

духа или кислорода серьезно понижает выход озона и ведет к перерасходу электроэнергии. На рис. 41 показано влияние влаж­

высоких мощностей (25—34 кет) это соотношение уменьшается до 1,8—4,6. При малой мощности (15 кет) увеличение влажно­ сти оказывается наиболее значительным, так как снижает вы­ работку озона в 3 раза.

Эксплуатационные данные целого ряда станций озонирова­ ния воды подтвердили целесообразность снижения влажности до 0,05 г воды на 1 мг сухого воздуха, что соответствует точке росы (—50°С). Подсчитано, что выигрыш на к. п. д. озонатора превосходит увеличение расходов, вызванных более интенсив­ ным предварительным охлаждением воздуха, подаваемого в озонатор. Однако недостаточная осушка воздуха и в этом слу­ чае снижает выход озона на 1 квт-ч затраченной электро­ энергии.

В атмосферном воздухе имеются некоторые примеси (на­ пример водород и окись азота), которые также понижают эф­ фективность озонатора. Анализы показали, что в озонирован­ ном воздухе содержание окиси азота достигает 1% от количе­ ства озона.

Наконец, на производительность озонатора и на величину выхода озона на Г квт-ч затраченной электроэнергии влияет повышение температуры, что требует постоянного охлаждения воздуха и электродов.3

3. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ

ИКОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ОЗОНАТОРНЫХ УСТАНОВОК

Кчислу таких факторов, но не зависящих от конструкции

74

функцией напряжения, которое приложено к электродам, час­ тоты тока и давления газа.

.При прочих равных условиях для заданной величины по­ требляемой мощности концентрация озона зависит от расхода

где W — потребляемая мощность в вт;

qоз— производительность по озону в г/ч.

На производительность и к. п. д. озонатора влияют следую­ щие факторы, связанные с его конструктивным типом:

1) охлаждение электродов и диэлектриков, обусловливаю­ щее охлаждение зоны тихого разряда для предотвращения преждевременного разрушения под действием теплоты образо­ вавшегося озона и во избежание одновременного повреждения диэлектриков. Энергичное охлаждение позволяет также повы­ сить удельную мощность (отнесенную на единицу поверхности разрядного поля) и, как следствие этого, увеличить производи­ тельность озонатора;

2)свободное расширение диэлектрика при нагревании для предупреждения механических повреждений;

3)вид материала и толщина диэлектрика. В зависимости от проницаемости материала диэлектрик обеспечивает большую или меньшую удельную мощность, а следовательно, и различ­ ную производительность. Тонкий диэлектрик дает более высо­ кую удельную мощность и в связи с лучшим охлаждением

объема позволяет дополнительно увеличить эту мощность, а также производительность. Всякий диэлектрик поглощает не­ продуктивно некоторую долю мощности, не расходуемую на генерирование озона, причем тем большую, чем сильнее он на­ гревается. Применение диэлектриков малой толщины и эффек­ тивное ослабление их нагрева повышают энергетический к. п. д., однако уменьшение толщины диэлектрика ограничено механи­ ческой прочностью материала;

4) ширина зоны разряда. Оптимальные значения этой ши­ рины должны быть определены в зависимости от.типа электро­ дов с целью полного использования разрядного пространства для озонированного воздуха; при этом может оказаться не­ обходимым применение специальных устройств (центрирующих колец, особых шпилек и т. п.).

75

4. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ГЕНЕРАТОРОВ ОЗОНА

Классификация озонаторов. Используемые в настоящее вре­ мя генераторы озона можно подразделить на следующие ос­ новные типы.

А. Цилиндрические озонаторы с трубчатыми электродами: а) в горизонтальном исполнении; б) в вертикальном исполне­ нии.

Б. Плоские озона*торы с пластинчатыми электродами: а) с центральным коллектором; б) с продольной циркуляцией.

Рис. 42. Цилиндрический озонатор с горизонтальными труб­ чатыми электродами

Цилиндрический озонатор с горизонтальными трубчатыми электродами. Этот широко известный тип озонатора состоит из герметичного цилиндрического корпуса, внутри которого раз­ мещен пакет горизонтальных трубок (рис. 42). Концы трубок закатаны, вставлены в оправку и. приварены к двум пластинам, которые делят весь корпус на три секции неодинаковой длины.

Через среднюю секцию (самую длинную), в которой раз­ мещены трубки, циркулирует охлаждающая вода. Через одну из из двух крайних секций поступает сухой воздух, а через дру­ гую — выходит озонированный газ. Каждая металлическая трубка представляет собой заземленный электрод низкого нап­ ряжения. Внутри электродной трубки установлена коаксиалыго вторая цилиндрическая трубка из специального стекла, играю­ щая роль диэлектрика. На ее внутреннюю поверхность нанесен слой графита или алюминия. Эта графитовая или металлизи­ рованная поверхность служит электродом высокого напряжения. Стеклянная трубка, закрытая с одного конца, устанавливается точно по оси электродной стальной трубки с помощью центри­ рующих колец. Так как наружный диаметр стеклянной трубки несколько меньше внутреннего диаметра стального трубчатого электрода, то между трубками создается кольцевой зазор, в ко-

76

тором и возникает тихий разряд. Озонированный воздух дви­ жется по этому кольцевому пространству по всей его длине.

■К генераторам озона описанного выше типа относятся озо­ наторы Ван дер Мадэ, «Велсбах» (США); «Компани Женераль де з’о э де л’озон Трелигаз» (Франция), Гебриэл Герман (ФРГ); Сосьете Дегремон (Франция). По близкой схеме уст­ роен и озонатор ПО-3 Курганского завода химического маши­ ностроения (СССР).

В озонаторе Ван дер Мадэ электродом высокого напряжения является трубка из нержавеющей стали диаметром 44,4 мм и длиной 304,5 мм, центрируемая в стеклянной трубке, которую окружает охлаждающая вода. Этот кольцевой слой воды слу­ жит электродом низкого напряжения. Стеклянная трубка диа­ метром 50,8 мм и длиной 457,2 мм неподвижно закреплена на стальном цилиндрическом электроде с помощью центрирующих шпилек. Пространство между наружной поверхностью стеклян­ ной трубки и внутренней поверхностью алюминиевого корпуса озонатора представляет камеру, в которой, циркулирует охлаж­ дающая вода.

Кондиционированный атмосферный воздух поступает в кор­ пус озонатора в торце и проходит через разрядные кольцевые щели вдоль внутренних стенок стеклянных трубок. Образовав­ шийся озон выпускается с противоположного конца озонатора.

Указанная конструкция представляет по существу вариант ранней модели озонатора Сименса-Гальске. Напряжение тока от 7000 до 8000 в при частоте 500 гц. Разрядное пространство имеет ширину 1 мм. Толщина стекла трубок диэлектрика 2 мм._ Концентрация получаемого озона низкая (1,5—3 мг/л). Вы­ ход озона по току подвержен колебаниям, но характерной ве­ личиной считается 0,045 кг на 1 квт-ч. Поскольку озонатор Ван дер Мадэ работает обычно на токе с частотой 500 гц, выход по току, обусловленный мощностью мотор-генератора, лежит в пределах 0,032 кг на 1 квт-ч. Наиболее крупная установка Ван дер Мадэ насчитывает 30 трубок и обеспечивает производитель­ ность 1,13 кг озона в 1 ч *. Озонаторы Ван дер Мадэ установ­ лены в 1953 г. на водопроводной станции Сен Мор (Париж), на их долю приходится 50% всего вырабатываемого озона (ос­ тальные 50% озона производят на озонаторах системы Отто). Озонаторы системы «Велсбах» предназначены для получения озона более высоких концентраций и позволяют вырабатывать озон как из кислорода, так и из воздуха. Каждый озонатор состоит из определенного количества горизонтальных трубчатых элементов, размещенных в общем корпусе (ем. рис. 42). Элек­ тродами низкого напряжения являются цилиндры из нержавею­ щей стали, омываемые охлаждающей водой. Внутри этих ци­

* В настоящее время выпускается усовершенствованный озонатор Ван дер Мадэ, особенностью которого является прямое охлаждение стекла во­ дой, а также наличие системы масляной защиты каждой трубки. -

77

линдров находится трубка из стекла «пирекс». Электродами вы­ сокого напряжения служат покрытия из графита или алюминия, нанесенные на внутреннюю поверхность стеклянных трубок. Че­ рез трубопровод, примыкающий к торцовой плоскости корпуса озонатора, входит кондиционированный воздух (или кислород), а через другой трубопровод, размещенный в противоположном конце корпуса, выпускают полученный озон. Предусмотрены от­ дельные трубки для впуска и выпуска охлаждающей воды, циркулирующей в корпусе озонатора. Рабочее напряжение тока составляет 15 000 в с частотой 60 (или 80) циклов в 1 сек. Ис­ точником получения напряжения служит повышающий транс­ форматор.

Ширина разрядной щели и толщина стеклянных трубок оди­ наковы и равны 0,1" (2,5 мм) каждая. При концентрации озона 10—12 мг/л обеспечивается выход озона по току, равный 0,055— 0,06 кг на 4 квт-.ч. Производительность озонаторов модели G-204, оборудованных 204 электродными трубками, составляет 1,14 кг/ч. Если подается кислород, а не воздух, то выход озона

Одна из крупных станций озонирования воды — Белмонтская в г. Филадельфии (США) — была оборудована 50 озонаторами «Велсбах» модели С с 85 трубчатыми электродами производи­ тельностью 0,47 кг/ч озона каждого озонатора. По лицензии «Велсбах» такие озонаторы изготовляет фирма «Дегремон» (Франция).

Наиболее совершенными в настоящее время являются озо­ наторы «Компани Женераль де з’о э де л’озон Трелигаз». В 1955 г. эти аппараты модели 2000 имели производительность

пересекающим по краям корпус озонатора. Расстояния между осями трубок 92 мм. Охлаждение обеспечивается циркуляцией воды с внешней стороны стальных трубок. С обоих концов озо­

78