Химия и химические технологии / 5. Фундаментальные

проблемы создания новых материалов и технологий

Безруких Н.С., Безруких Е.Г.

ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет»

НПО «Пульсар», г. Красноярск, Россия

Влияние влажности воздуха на работу

высокочастотного озонатора

Известно, что на работу генератора озона, построенного на принципе использования барьерного разряда, влияет гигрометрическое состояние используемого для синтеза озона воздуха. С увеличением влажности воздуха концентрация озона в продуктовой газовой смеси на выходе генератора озона падает при прочих равных условиях. Так для генератора озона, работающего на частоте 50 Гц, при повышении влажности от точки росы –40 0С до –20 0С концентрация озона падает на 16% [1].

Другой источник [2] для генератора озона, работающего на частоте 2 кГц, при аналогичных условиях приводит снижение концентрации озона на 14%.

Проведено измерение влияния влажности исходного воздуха на концентрацию озона в продуктовом газе для генератора озона, работающего на частоте 35 кГц. Результаты измерения приведены на графике (рисунок 1).

Рис.1. Зависимость концентрации озона от влажности воздуха

Из графика видно, что изменение концентрации озона при изменении влажности от точки росы –40 ⁰С до –20 ⁰С составляет 12%. Видна тенденция некоторого снижения влияния влажности на концентрацию озона с увеличением рабочей частоты.

За редким исключением для осушения воздуха в озонаторных установках в основном применяются два вида осушителей – короткоцикловые безнагревные и нагревные. Безнагревные системы осушения воздуха должны включать в себя: компрессорную установку, два напорных адсорбера, систему переключения потоков сжатого воздуха, блок электронного управления и т. д. Хотя эти системы осушивают воздух до точки росы –50 ⁰С и ниже, тем не менее, они из-за своей сложности дороги. Нагревные же осушители вследствие своей более простой конструкции более дешевы. Осушение воздуха в них производится с использованием искусственных цеолитов, которые подвергаются регенерации путем нагрева. Недостатком таких осушителей является высокая температура полной регенерации, которая составляет свыше 300 ⁰С. Реализация такого режима регенерации цеолита в значительной мере усложняет, а, следовательно, и делает дороже осушители, т. к. требует более мощных нагревательных элементов и усиленной термоизоляции адсорберов.

В целях удешевления производства маломощных озонаторных установок, работающих на частотах порядка 30…50 кГц, исследовалась возможность применения нагревных осушителей с недорегенерированием цеолита, т.е. осушителей, использующих для регенерации цеолита нагрев до 180…250 ⁰С. В этом случае снижение концентрации озона в продуктовом газе на 12% считается вполне приемлемым. Такие озонаторные установки могут быть использованы для лабораторных исследований, подготовки воды в частных бассейнах небольших объемов, подготовки воды в локальных системах очистки производительностью до 5 м³/час, подготовки воды для розлива в фасовочные емкости и т. д.

Здесь нельзя умолчать еще об одном аспекте проблемы. После воздействия барьерного разряда на воздух в продуктовом газе кроме озона содержатся также следы соединений кислорода с азотом, главным образом в виде N₂O₅ и N₂O [3]. При соприкосновении с водой, содержащейся в воздухе, образуется азотная кислота по уравнению

N₂O₅ + H₂O → 2HNO₃.

Кислота осаждается в генераторе озона и в трубопроводах, снижая время наработки на отказ озонаторной установки. Источник [1] указывает, что при использовании воздуха с точкой росы –55 ⁰С количество образовавшейся азотной кислоты составляет 5 г на 1 кг озона, а при точке росы –42 ⁰С количество кислоты увеличивается до 26 г на 1 кг озона, т.е. в 5 раз. Следует отметить, что это относится к генераторам озона, работающим на частоте 50 Гц. Многолетние наблюдения за работой высокочастотных генераторов озона (30…50кГц) производительностью до 25 г озона в час, использующих воздух с точкой росы от –40 ⁰С до –20 ⁰С, показывают, что накопление азотной кислоты и ее производных в них является незначительным и не приводит к катастрофическим последствиям при работе в течение двух-трех лет в периодическом режиме. Кроме того, генераторы озона для высокочастотных озонаторов, работающих в указанном выше диапазоне, малогабаритны, относительно дешевы и через два-три года работы легко могут быть заменены на резервные.

На рисунке 2 изображены графики зависимости влажности воздуха, прошедшего через адсорбер, заполненный искусственным цеолитом марки NаА, от времени. Объем адсорбера составлял 0,6 л, скорость потока воздуха 0,8 м³/час. Содержание влаги в исходном воздухе при температуре 25 ⁰С – 10 г/м³.

Рис.2. Зависимость влажности воздуха от времени эксплуатации адсорбера

Кривая 1 отражает зависимость для цеолита, подверженного регенерации при температуре 350 ⁰С, кривая 2 – при температуре 235 ⁰С, а кривая 3 – 150 ⁰С. Анализ этих кривых показывает, что воздух в начальный период после регенерации во всех случаях пригоден для синтеза озона в высокочастотном озонаторе. Спустя некоторое время (для различных кривых это время разное) происходит достаточно резкое изменение точки росы в сторону увеличения, и воздух становится не пригодным для эффективного синтеза озона. Чем ниже температура регенерации адсорбента, тем раньше по времени наблюдается точка перегиба.

Таким образом, из приведенных выше экспериментальных данных в случае синтеза озона в барьерном высокочастотном (30…50 кГц) разряде можно сделать следующие выводы:

– повышение точки росы используемого воздуха от –40 ⁰С до –20 ⁰С приводит к снижению концентрации озона на выходе не более чем на 12%;

– при этом наблюдается слабое зарастание генератора озона продуктами взаимодействия воды с окислами азота;

– не полная регенерация цеолита в нагревных осушителях не приводит к понижению концентрации озона в начальной стадии работы адсорбера;

– не полная регенерация цеолита хотя и укорачивает время нормальной работы озонатора до следующей регенерации, но при этом значительно упрощает конструкцию нагревного осушителя воздуха, что приводит к его удешевлению.

Литература:

1. Кожинов, В.Ф. Озонирование воды: монография / В.Ф. Кожинов, И.В. Кожинов - М.: Росагропромиздат, 1974. - 194 с.

2. Бударин, М. В. Теоретические и экспериментальные исследования создания высокоэффектинного озонаторного оборудования / М.В. Бударин, В.И. Пригожин // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE – 2004. – №10(18). С. 16-21.

3. Самойлович, В.Г. Физическая химия барьерного разряда: монография / В.Г. Самойлович, В.М. Гибалов, К.В. Козлов - М.: Издательстао МГУ, 1985. - 179 с.