DE3427274A1

DE3427274A1 - Process for generating ozone

Info

Publication number: DE3427274A1
Application number: DE19843427274
Authority: DE
Inventors: Melch Dipl.-Phys. Dr. Uetikon Fischer; Michael Dipl.-Ing. Dr. Unterentfelden Hirth; Ulrich Dr. Hausen Kogelschatz
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1984-06-26
Filing date: 1984-07-24
Publication date: 1986-01-02
Also published as: CH659997A5

Abstract

In a process for generating ozone, the feed gas used is produced by mixing, preferably, 95 % by weight of oxygen and 5 % by weight of nitrogen, both components being provided by an air liquefaction and fractionating plant. Thus as high as possible an ozone concentration is achieved, combined with a minimum total energy requirement. <IMAGE>

Description

Verfahren zur Erzeugung von Ozon Process for generating ozone

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung von Ozon gemäss dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a method for generating ozone according to the generic term of claim 1.

Heutige Ozonerzeuger werden überwiegend mit Luft oder Sauerstoff betrieben. Steht bei der Auslegung eine Minimierung des Energieverbrauchs im Vordergrund, so ergibt sich für Luftozonerzeuger ein optimaler Arbeitspunkt bei relativ kleinen Ozonkonzentrationen von ca. 2 Gew.Today's ozone generators are mainly operated with air or oxygen. If the focus is on minimizing energy consumption in the design, then For air ozone generators, this results in an optimal operating point with relatively small ones Ozone concentrations of approx. 2 wt.

Bei noch kleineren Konzentrationen steigt der Energiebedarf für die Luftaufbereitung (Kompression plus Trocknung), bei grösseren Konzentrationen steigt der Energiebedarf für den Ozonerzeuger.At even lower concentrations, the energy requirement for the increases Air treatment (compression plus drying), increases with higher concentrations the energy demand for the ozone generator.

Bei der Ozonerzeugung aus reinem Sauerstoff liegt der spezifische Energiebedarf des Ozonerzeugers wesentlich tiefer. Dafür fallen zusätzliche Energiekosten bei der Sauerstofftrennung an, die besonders niedrig sind in Grossanlagen zur Luftverflüssigung (ca. 50'000 m3 02/h). Steht solch kryogener Sauerstoff zur Verfügung, so ergibt sich ein optimaler Arbeitspunkt bei einer Ozonkonzentration von ca. 5 Gew.-,°Ó. Allerdings erfordert eine Luftverflüssigungsanlage erhebliche Investitionskosten, die weitaus höher liegen können als die der ganzen Ozonerzeugungsanlage.In the case of ozone generation from pure oxygen, the specific one lies The energy requirement of the ozone generator is significantly lower. There are additional energy costs for this in the separation of oxygen, which are particularly low in large systems for air liquefaction (approx. 50,000 m3 02 / h). If such cryogenic oxygen is available, the result is an optimal working point is at an ozone concentration of approx. 5 wt .-. ° Ó. However, an air liquefaction system requires considerable investment costs, which can be much higher than that of the entire ozone generation plant.

Die bei der Ozonerzeugung aus reinem Sauerstoff erreichbaren hohen Ozonkonzentrationen bieten für viele Anwendungen erhebliche verfahrenstechnische Vorteile. Bei chemischen Oxidationsprozessen und Ozonanwendungen im Wasser bestimmt die Ozonkonzentration in der Gasphase die Reaktionsgeschwindigkeit und die Lösungsgeschwindigkeit und Endkonzentration im Wasser. Damit hat die Ozonkonzentration in der Gasphase einen wichtigen Einfluss auf die Grösse der nachfolgenden Reaktionsstufen. Es wäre daher für viele Anwendungen wünschenswert, zu höheren Ozonkonzentrationen zu gelangen als sie mit Luftozonisatoren erreichbar sind.The high levels that can be achieved when generating ozone from pure oxygen For many applications, ozone concentrations offer considerable process engineering Advantages. Determined in chemical oxidation processes and ozone applications in water the ozone concentration in the gas phase the reaction rate and the dissolution rate and final concentration in the water. This has the ozone concentration in the gas phase an important influence on the size of the subsequent reaction stages. It would be therefore it is desirable for many applications to achieve higher ozone concentrations than they can be achieved with air ozonizers.

Der Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Ozon zu schaffen, das eine möglichst grosse Ozonkonzentration bei möglichst geringem Gesamtenergiebedarf ermöglicht.The invention as characterized in the claims the task is to create a process for the production of ozone, the highest possible ozone concentration with the lowest possible total energy requirement enables.

Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass bestimmte Sauerstoff-Stickstoff-Mischungen, vorzugsweise 95 S 02 / 5 t N2, höhere Ozonkonzentrationen erreichen als reiner Sauerstoff, bzw. bei gleicher Ozonkonzentration einen deutlich verminderten Energiebedarf haben. Durch die erfindungsgemässe nachträgliche Beimengung kleiner Stickstoffmengen zu reinem Sauerstoff lässt sich somit in nicht ohne weiteres vorhersehbarer Weise die Ozonausbeute erhöhen.The invention is based on the knowledge that certain Oxygen-nitrogen mixtures, preferably 95 S 02/5 t N2, higher ozone concentrations reach a significantly higher than pure oxygen or with the same ozone concentration have reduced energy requirements. Due to the subsequent admixture according to the invention Small amounts of nitrogen can therefore not easily be converted into pure oxygen increase the ozone yield in a predictable manner.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung, in der Fig. 1 ein Flussdiagramm einer Ozonerzeugungsanlage, Fig. 2 ein Schaubild für den spezifischen Energiebedarf zeigt, näher erläutert.The invention is explained below with reference to the drawing in FIG. 1 a flow diagram of an ozone generation plant, FIG. 2 a diagram for the specific Shows energy requirements, explained in more detail.

In Fig. 1 wird einer Luftzerlegungseinrichtung 1, welche eine kryogene Luftverflüssigungs und Fraktioniereinrichtung umfasst, in üblicher Weise aufbereitete Aussenluft zugeführt. Ein erster getrockneter, im wesentlichen aus reinem Sauerstoff bestehender Gasstrom wird über eine Leitung 2 unmittelbar einer Mischeinrichtung 3 zugeführt.In Fig. 1, an air separation device 1, which is a cryogenic Air liquefaction and fractionation device includes, processed in the usual way Outside air supplied. A first dried one, consisting essentially of pure oxygen Existing gas flow is fed directly to a mixing device via a line 2 3 supplied.

Ein zweiter getrockneter, im wesentlichen aus reinem Stickstoff bestehender Gasstrom gelangt über eine Leitung 4 in einen Mengenregler 5, der derart gesteuert ist, dass nur noch etwa 1 Gew.-°Ó der ihm zugeführten Stickstoffmenge über eine Leitung 6 in die Mischeinrichtung 3 gelangen.A second dried one consisting essentially of pure nitrogen The gas flow passes through a line 4 into a flow regulator 5, which is controlled in this way is that only about 1% by weight of the amount of nitrogen supplied to it over a Line 6 enter the mixing device 3.

Der überschüssige Stickstoff wird über eine weitere Leitung 7 einem anderweitigen Verwendungszweck zugeführt.The excess nitrogen is via a further line 7 a used for other purposes.

Das die Mischeinrichtung 3 über die Leitung 8 verlassende Gasgemisch enthält etwa 95 Gew.-°Ó Sauerstoff und 5 Gew.-,°Ó Stickstoff. Es wird einem Ozonerzeuger 9 zugeleitet und dort in bekannter Weise mit Ozon angereichert und gelangt über eine Leitung 10 in eine Ozonbehandlungsanlage 11, in welcher der Oxydationsprozess abläuft.The gas mixture leaving the mixing device 3 via the line 8 contains about 95% by weight oxygen and 5% by weight nitrogen. It becomes an ozone generator 9 and enriched there in a known manner with ozone and passes over a line 10 in an ozone treatment plant 11, in which the oxidation process expires.

Das beschriebene Verfahren eignet sich insbesondere für grosstechnische Anlagen mit Luft zer legungse inr ichtungen die reinen Sauerstoff in der Grössenordnung von 30000 und mehr m3 02/h bereitstellen. Die Komponenten, aus denen sich das Einsatzgas für den Ozonerzeuger zusammensetzt müssen keinem besonderen Gastrocknungsprozess mehr unterworfen werden, da sie infolge des kryogenen Trennungsverfahrens optimal trocken sind.The method described is particularly suitable for large-scale Plants with air separation devices the pure oxygen in the order of magnitude provide 30000 and more m3 02 / h. The components that make up the feed gas Composed for the ozone generator do not need a special gas drying process subject to more, as they are optimal as a result of the cryogenic separation process are dry.

In Fig. 2 ist der mit dem beschriebenen Verfahren aufzuwendende Energiebedarf für die Gasaufbereitung und Ozonerzeugung in Abhängigkeit von der Ozonkonzentration mit verschiedenen Zusammensetzungen des Einsatzgases (für den Ozonerzeuger) veranschaulicht. Die Kurven gelten für einen gekühlten Ozonerzeuger mit einer Leistungsdichte von 3 kW pro m2 Elektrodenfläche und einer Kühlwassertemperatur von 25 OC.In Fig. 2 is the energy requirement to be expended with the method described for gas processing and ozone generation depending on the ozone concentration illustrated with different compositions of the feed gas (for the ozone generator). The curves apply to a cooled ozone generator with a power density of 3 kW per m2 of electrode surface and a cooling water temperature of 25 OC.

Auf der Ordinate ist der spezifische Energiebedarf E in kWh/kgO3 und auf der Abszisse die Ozonkonzentration CO in Gewichtsprozenten eingetragen. Die Kurve I gilt für reinen Sauerstoff, die Kurve II für ein Gasgemisch mit 95 Gew.-,°Ó 2 und 5 Gew.-% N2. Deutlich ist die Abnahme des spezifischen Energiebedarfs ab Ozonkonzentrationen grösser 4 Gew.-,°Ó zu erkennen.On the ordinate is the specific energy requirement E in kWh / kgO3 and the ozone concentration CO in percent by weight is entered on the abscissa. the Curve I applies to pure oxygen, curve II to a gas mixture with 95% by weight 2 and 5 wt% N2. The decrease in the specific energy requirement from ozone concentrations is clear greater than 4 wt .-, ° Ó can be recognized.

Zum Vergleich ist ferner die Kurve III für Luft eingetragen, wobei zu beachten ist, dass für Luft (Kurve III) ein Teil des Gesamtenergiebedarfs - etwa 0,1 kWh/kg - für die Aufbereitung des Einsatzgases (Trocknung und Kompression) aufgebracht werden müssen, während für die Luftverflüssigung (Kurven I und II) etwa 0,3 kWh/kgO2 aufzuwenden sind.For comparison, curve III is also entered for air, where it should be noted that for air (curve III) a part of the total energy requirement - approx 0.1 kWh / kg - applied for processing the feed gas (drying and compression) must be, while for the air liquefaction (curves I and II) about 0.3 kWh / kgO2 are to be expended.

Claims

Claims 1. A method for generating ozone by passing it through an oxygen-rich gas mixture by an electric ozone generator, wherein the gas mixture is provided by an air separation plant which has a first, essentially only of oxygen and a second, essentially only supplies consisting of nitrogen gas stream, characterized in that the first Part of the second gas stream is mixed in with the gas stream upstream of the ozone generator and this gas mixture, the maximum 50 wt .-, ° Ó, preferably a maximum of 25 wt .-, nitrogen contains, is fed to the ozone generator.

2. The method according to claim 1, characterized in that the air separation plant works on the cryogenic principle.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that a gas mixture with 95% by weight of oxygen and 5% by weight of nitrogen can be used.