автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Создание высокоэффективных аппаратов и процессов для получения и использования озона в промышленности

□0305ЭВ4Т

Пригожин Виктор Иванович

СОЗДАНИЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ АППАРАТОВ И ПРОЦЕССОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОЗОНА В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

05 17 08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тамбов 2007

003059647

Работа выполнена в Испытательном комплексе ОАО Конструкторского бюро химавтоматики, г Воронеж

Научный руководитель

кандидат технических наук Бударин Михаил Васильевич

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор

Шувалов Анатолий Михайлович

доктор химических наук, доцент

Ткаченко Сергей Николаевич

Ведущая организация Институт водородной энергетики и плазменной технологии «Курчатовский институт» г Москва

Защита диссертации состоится

часов на заседании диссертационного совета Д 212 260 02 ГОУ ВПО Тамбовского государственного технического университета по адресу г Тамбов, ул Ленинградская 1, ауд 60

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, скрепленных гербовой печатью, просим направлять по адресу 392000, г Тамбов, ул Советская, 106, ТГТУ, ученому секретарю диссертационного совета

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан ¿¿¿¿СС/еЛ года

Ученый секретарь диссертационного совета, доцент

В М Нечаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. В связи с постоянно ухудшающейся экологической обстановкой в России и в мире, растет интерес к использованию озона для обработки питьевой воды, очистки жидких и газовых токсичных выбросов, в целлюлозно-бумажной промышленности и во многих других технологических процессах различных отраслей промышленности Озон является более сильным окислителем по сравнению с хлором и не оказывает отрицательного влияния на экологию окружающей среды Проведенные многочисленные исследования по очистке питьевой воды в водоисточниках многих регионов России, имеющих высокий уровень загрязнения органическими и неорганическими веществами, показали, что без включения озона в технологический процесс очистки воды невозможно получить воду требуемого качества

Эффективным методом получения озона в промышленности является его электросинтез в тихом (барьерном) разряде Для высокопроизводительных озонаторов (генераторов озона) оптимальной является конструкция высокочастотных озонаторов с диэлектрическим барьером и двухсторонним охлаждением электродов, позволяющих снизить удельное энергопотребление на электросинтез озона и значительно увеличить выход озона с единицы поверхности электрода В связи с этим представляются актуальными разработка конструкций высокочастотных озонаторов с металлическими эмалированными и охлаждаемыми электродами и исследование зависимости их производительности от конструктивных решений и параметров рабочих газов, а также процесса охлаждения электродов

Диссертационная работа выполнена в соответствии с Воронежской областной Программой №1188 от 21 12 98г «Обеспечение населения питьевой водой на 1999 - 2001 годы» Цель работы

Исследование процесса охлаждения электродов и его влияние на производительность озонатора Разработка методики расчета концентрации озона и производительности озонатора в зависимости от активной мощности, расхода и температуры озоновоздушной смеси

Исследование влияния конструктивных и рабочих параметров озонаторов на характеристики барьерного разряда и выход озона

Создание высокоэффективных озонаторов с охлаждаемыми эмалированными электродами, имеющих низкое удельное энергопотребление и высокий удельный выход озона с единицы поверхности электрода

Научная новизна работы заключается в следующем

Проведены экспериментальные исследования процесса охлаждения электродов озонатора, позволившие разработать методику расчета концентрации озона и производительности озонатора, в которой учитывается изменение константы разложения озона при изменении температуры рабочего газа в разрядной зоне озонатора Получены оптимальные расходы хладагента в зависимости от активной мощности, расхода и температуры озоновоздушной смеси

Исследованы зависимости производительности от конструктивных и рабочих параметров озонаторов с охлаждаемыми стеклоэмалевыми электродами, работающие на электрическом токе высокой частоты, что позволило повысить удель-

ный выход озона с единицы поверхности электрода и понизить удельные энергозатраты

Определены оптимальные конструктивные и рабочие параметры озонаторов со стеклоэмалевыми охлаждаемыми электродами (длина разрядной зоны, давление в озонаторе, напряжение и частота питания), послужившие основой для разработки озонаторов нового поколения

Пряю-ическяя ценность результатов работы состоит в следующем Проведенные экспериментальные исследования электросинтеза озона, процесса охлаждения электродов позволили разработать оптимальную базовую конструкцию озонатора с охлаждаемым эмалированным электродом

Впервые созданы высокоэффективные озонаторы различной производительности (от 0,015 до 5 кг/час) с охлаждаемыми эмалированными электродами, которые нашли применение для обработки питьевой воды и воды плавательных бассейнов, нейтрализации вредных стирольных выбросов при производстве синтетического каучука в ОАО «Воронежсинтезкаучук», в процессе отбелки целлюлозы на Кондопожском целлюлозно-бумажном комбинате Озонаторные установки прошли сертификационные испытания и имеют сертификат соответствия № РОСС RU АЯ04 В14881 Созданные озонаторные установки по сравнению с зарубежными и

- низкие удельные энергозатраты 10-12 кВт-ч/кг при работе на воздухе и 8-10 кВт ч /кг при работе на кислороде (озонаторы со стеклянными электродами имеют удельные энергозатраты 16-18 кВт ч/кг),

- высокий удельный выход озона с поверхности электрода до 17 г/дм2ч (стеклянные электроды имеют удельный выход озона 0,5-0,9 г/дм2 ч), что позволяет уменьшить в 2,5 раза массу и габариты озонаторов,

- меньшую стоимость (=в 2 раза) и невысокие эксплуатационные затраты,

- более высокий ресурс работы и надежность установок (срок службы эмалированных электродов более 10 000 часов),

Созданы источники питания для озонаторов мощностью от 0,6 до 100 кВт, работающие на частоте тока до 10 кГц

Разработаны и внедрены в 18 городах Российской Федерации технологические процессы обработки воды в плавательных бассейнах объемом от 50 до 2000 м3 методом озонирования Качество воды в бассейнах соответствует требованиям СанПиН

2 12 1188-03 «Гигиенические требования к устройству, эксплуатации и качеству воды плавательных бассейнов» Озонаторные установки для обработки воды в плавательных бассейнах имеют гигиенический сертификат соответствия № 52 от 13 10 94г

Разработан и внедрен на ОАО «Воронежсинтезкаучук» технологический процесс очистки газовоздушных выбросов озонокаталитическим способом полного разрушения стирола, образующегося на стадии выделения каучука В состав установки входят

3 озонатора производительностью 5 кг/ч озона каждый Нейтрализация стирольных выбросов происходит в реакторе при температуре 60-80°С, степень очистки от стирола и других органических соединений составляет 95-98% Экономический эффект от внедрения технологии очистки вентиляционных выбросов составляет ~ 21,5 млн руб

На Кондопожском целлюлозно-бумажном комбинате создана опытно-промышленная установка и отработан технологический процесс отбелки озоном 25 тонн целлюлозы в сутки Отбелка озоном целлюлозы высокой концентрации

30-40 % в трубчатом реакторе позволила снизить расход озона на 20-30 % и уменьшить время обработки на 30-50 %

Автор защищает, экспериментальные и расчетные исследования процесса охлаждения электродов и его влияние на производительность озонатора, методику расчета концентрации озона и производительности озонатора, учитывающую изменение константы разложения озона за счет изменения температуры рабочего газа в разрядной зоне озонатора, результаты экспериментальных исследований зависимости производительности озонаторных установок от параметров рабочих газов, технологические процессы применения озона для очистки питьевой воды и воды плавательных бассейнов, очистки стирольных газовых выбросов при производстве синтетического каучука и отбелки целлюлозы

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на Всероссийском совещании «Пути перевода предприятий целлюлозно-бумажной промышленности на бесхлорные системы отбелки целлюлозы» (г Москва, 1997г), на конференции Всекитайской ассоциации по водоочистке (г Гуанчжоу, 2005г) Публикации По теме диссертации опубликовано б работ

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка цитируемой литературы и приложений Работа изложена на 155 страницах, включая 54 рисунка, 7 таблиц и 14 приложений

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обоснована актуальность работы, ее новизна и практическая значимость, основные положения которых выносятся на защиту

В первой главе представлен обзор литературы, проведен анализ отечественных и зарубежных озонаторов, приведены преимущества и недостатки выпускаемого озонаторного оборудования Современные отечественные и зарубежные озонаторы имеют следующие недостатки

- высокое удельное энергопотребление на синтез озона (16-20 кВт-ч/кг озона),

- низкая частота питающего напряжения (50-1000 Гц),

- внутренние электроды выполнены из стекла, которое имеет недостаточные диэлектрические свойства и невысокую устойчивость к высокому напряжению, вследствие чего они требуют частой замены,

- конструктивное решение системы охлаждения разрядного промежутка с внешней или с внутренней стороны не позволяет обеспечить отвод тепла из разрядного промежутка, что приводит к частичному разложению озона,

- низкий выход озона с единицы поверхности электрода (0,5 - 0,9 г/ч дм2), что приводит к увеличению массы и габаритов озонаторных установок

Приведены примеры использования озона в различных отраслях народного хозяйства Показано, что озон успешно используется для очистки питьевой воды, бытовых и промышленных стоков, различных газовых выбросов, в целлюлозно-бумажной промышленности, в сельском хозяйстве и в медицине На основании анализа литературы сделаны следующие выводы

- для создания высокоэффективных озонаторов необходимо использовать электроды со стеклоэмалевым покрытием, имеющими высокие диэлектрические свойства и двухстороннее охлаждение, а также применять электрический ток высокой частоты

з

- для широкого внедрения озона в системах очистки, наряду с созданием высокоэффективного озонаторного оборудования необходимо создание технологий применения озона

Вторая глава посвящена теоретическим основам создания высокопроизводительного озонаторного оборудования Показано, что основным методом получения озона является его электросинтез в барьерном разряде Барьерный разряд представляет собой совокупность быстропротекающих микроразрядов, равномерно распределенных по поверхности электродов и возникающих в разрядном промежутке при напряжении пробоя газа Диэлектрический барьер исключает образование разрядов искровой или дуговой формы и обуславливает равномерную структуру плазмы Затраты энергии на реакцию образования озона равны 7,05 эВ, О + 02 + ё -» 03+ё Энергия разложения озона О}-» 02 + О составляет 1,0эВ

Электрические свойства разряда в газах описываются с помощью вольт-амперных характеристик (ВАХ) озонатора Показано, что ВАХ при барьерном разряде имеют разные наклоны, зависящие от емкости диэлектрических барьеров Для различных разрядных промежутков вольтамперные характеристики проходят параллельно друг другу Так как давление и состав газа практически не влияют на емкостные характеристики озонаторов, то по характеру ВАХ можно контролировать состояние диэлектрических барьеров

Основным электрическим параметром является активная мощность И^, которая определяется по формуле

где Um- внешнее приложенное напряжение, С„ и Сб - емкость газового промежутка и диэлектриков

Приведенная формула свидетельствует о возможности линейно увеличивать активную мощность электрического разряда, меняя частоту и напряжение

В третьей главе представлены экспериментальные исследования производительности от конструктивных и рабочих параметров озонатора Экспериментальные исследования проводились на озонаторах 9 26 0038 020 и 9 26 0038 120, в которых величина разрядного промежутка между электродами составляла 1мм, длина разрядной зоны составляла 400 и 800 мм В озонаторах использовался внутренний электрод с различными стеклоэмалевыми покрытиями разработки НИИЭМАЛЬ-ХИММАШ, г Полтава Стеклоэмалевое покрытие электродов должно иметь высокую диэлектрическую проницаемость (е), малые диэлектрические потери (tg 5), должно быть равной толщины и сплошным по всей поверхности электродов С целью увеличения диэлектрической проницаемости эмалевого покрытия, в состав его вводился метатитанат стронция, диэлектрическая проницаемость которого достигает значения £ = 250 Результаты исследований опытных эмалей 13Д1, 13ДЭ, 13Д5, 13Д7 показали, что наибольшую эффективность синтеза озона достигали при использовании эмали 13Д5 (выход озона достигал 16,5 г/ч дм2, а затраты энергии на синтез озона - 10-12 кВт ч/кг озона при работе на воздухе) Зависимость производительности озонаторов от длины разрядной зоны приведена на рисунке 1 Энерге-

О)

тический выход озона возрастает с увеличением длины разрядной зоны до 700 мм Увеличение длины разрядной зоны более 700 мм приводит к снижению выхода озона Это связано с повышением температуры озоновоздушной смеси, что приводит к частичному разложению озона

то , кг/ч з

Рисунок 1 - Зависимость производительности озонаторов от длины разрядной зоны

На эффективность синтеза озона в барьерном разряде влияют электрические параметры плазмы - частота тока, напряжение, активная мощность Зависимость активной мощности от напряжения и частоты тока на озонаторе представляет собой прямую линию с тангенсом угла наклона, пропорциональную напряжению разряда, емкости диэлектрического барьера и частоте тока Увеличение частоты питающего озонатор электрического тока позволяет увеличить мощность озонатора, не меняя его геометрических размеров Проведенные исследования эффективности синтеза озона в озонаторе от величины разрядного промежутка показали, что с уменьшением величины разрядного промежутка концентрация озона и производительность увеличиваются Экспериментальные исследования зависимости концентрации озона от частоты питающего тока при расходе воздуха 6 м3/час приведены в таблице 1

Таблица 1 - Зависимость концентрации озона от напряжения при различных частотах

№ Частота 3000 4000 5000 6000 7000 8000

п/п тока,

Гц

Напря- Сила Кон- Сила Кон- Сила Кон- Сила Кон- Сила Кон- Сила Кон-

жение тока в цент- тока в цент- тока в цент- тока в цент- тока в цент- тока в цент-

пита- ГО, рация ГО, рация го. рация го. рация ГО, рация го рация

ния, (I го). озона, (1 го)» озона, 0 го). озона. (I го). озона, <1 го). озона, 0 го). озона,

кВ А (Со,), А (Со,), А (Со,), А (Со,), А (Со,), А (Со,),

г/м3 г/м3 г/м5 г/м3 г/м3 г/м3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

1 2 0,04 0 0,09 0 0,15 0 0,18 0 016 0 0,18 0

2 22 005 0 0,10 0 0,17 0 02 0 0,17 0 0,18 0

3 2,4 0,055 0 011 0 018 0 021 0 019 0 019 0

4 2,6 0,06 0 0,12 0 0,195 0 022 0,5 0,2 0 0Д1 0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

5 2,8 0,065 0 0,125 0 0,21 0 0,23 2,0 0,22 2,6 0,24 15

6 3,0 0,07 0 СЦ35 0 0,23 1,4 ода 4,1 0,25 3,6 0,27 2,9

7 3,2 0,075 0 0,17 1,5 0,26 3,5 0,29 63 03 55 031 4,0

8 3,4 0,08 0 03) 3,0 032 10 034 8,6 034 7,8 035 7,1

9 3,6 0,08 0 0,24 5,6 0,41 14,5 0,4 12,0 039 105 0,41 9,1

10 3,8 0,085 0 035 11,1 0,5 18,9 0,46 15,0 0,44 13,0 0,46 12,0

11 4,0 0,09 0 0,60 22,5 0,54 19,0 0,52 15,5 0,54 14,5

12 42 039 15,1 0,67 22,2 0,62 19,7 0,57 19

Как видно из таблицы 1, с увеличением частоты электрического разрядного тока концентрация озона в озоновоздушной среде, а, следовательно, и производительность озонатора растет Однако с увеличением мощности повышается температура газа и увеличивается скорость разложения озона В результате снижается выход озона и растут удельные энергозатраты Зависимость концентрации озона от напряжения питания озонатора при работе на воздухе приведена на рисунке 2, которая показывает, что максимальная концентрация озона достигается при напряжении 6 кВ При более высоких напряжениях концентрация озона уменьшается, что связано с ростом температуры озоновоздушной смеси и частичным разложением озона На рисунке 3 приведена зависимость удельных энергозатрат на синтез озона от напряжения питания Как видно из рисунка 3, минимальные энергозатраты соответствуют напряжению питания 5кВ

/то,

Сс>1, г/м

кВт ч/кг

/

/

/

N.

Я 10 £

II,кВ

и II М и • 12 «4 II II Т

Г-ЗОк Гц > х'

\ .X <

ч <

N 5кГц

и,кВ

35 4 4!

59 в 55

Рисунок 2 - Зависимость концентрации озона от Рисунок 3 - Зависимость энергозатрат на синтез напряжения питания озона от напряжения питания

Производительность озонатора зависит от содержания кислорода, расхода, влажности и давления рабочего газа в разрядной зоне Зависимость производительности озонатора от расхода рабочего газа с различной концентрацией кислорода приведена на рисунке 4 Из рисунка видно, что с увеличением расхода рабочего газа и процентного содержания кислорода в нем производительность увеличивается Изучение синтеза озона из воздуха показало, что одновременно в озонаторе из

N2 и 02 происходит образование окислов азота NO, N02, которые при наличии озона окисляются до пятиокиси азота (N2Os) Одновременно в озонаторе происходит реакция взаимодействия окислов азота с парами воды, оставшимися в рабочем газе, и образуется азотная кислота Образовавшиеся в озонаторе пятиокись азота и азотная кислота отрицательно влияют на электросинтез озона, появляется эффект «отравления» разряда, при котором происходит полное разложение образовавшегося озона Количество образовывающейся азотной кислоты в озонаторе зависит от содержания влаги в рабочем газе Поэтому подаваемый в озонатор рабочий газ должен быть осушенным до точки росы не выше минус 50 °С

Давление газа в разрядном промежутке оказывает влияние на напряжение электрического разряда С ростом давления газа напряжение разряда увеличивается На генераторе озона 9 29 6030 ООО 00 определялась зависимость производительности от давления в разрядной зоне При этом расход воздуха составлял 6 м'/час, напряжение питания - 5,5 кВ, частота - 2,5 кГц, длина разрядной зоны - 720 мм, величина разрядного промежутка - 1мм На рисунке 5 приведена зависимость производительности озонатора от давления рабочего газа в его разрядной зоне

Рисунок 4 - Зависимость производительности Рисунок 5 - Зависимость производительности

озонатора от расхода рабочего газа озонатора от давления рабочего

при концентрации Од газа 1 -Со,=20%, 2 - Со,=50%, 3- Со,=57%

При изменении давления газа в области от 0,2 до 0,6 кгс/см2 выход озона увеличивается При увеличении давления выше 0,6 кгс/см2 выход озона уменьшается

Анализ экспериментальных данных приведенных на рисунках 1, 2, 3, 4, 5 показал, что с достаточной степенью точности они описываются аналитической зависимостью вида у = ахг + Ъх2 +сх + с1

Эмпирические коэффициенты а, Ь, с, с/ определялись методом наименьших квадратов, их значения приведены в таблице 2

Таблица 2 - Значения эмпирических коэффициентов

№ рисунка У Размерность У а Ь с <1 X Размерность X

1 то 3 кг/ч -4,59 10 10 2,546 Ю"1 3,232 10й 1,874 103 мм

2 Сол г/м' -5,121 77,92 -379,55 601,077 и кВ

3 (2,5кГц) е кВт ч/кг -0,3151 6,277 -37,67 81,412 и кВ

3 (3,0кГц) е кВт ч/кг -0,3897 8,853 -57,006 123,309 и кВ

4 (20%Со2) то 3 кг/ч 3,77 10" 7,49 103 5,327 102 7,48 10"4 <г м3/ч

4 (5 0%СО2) то 3 кг/ч 0 -2,335 103 5,143 10 2 -103 С} м3/ч

4 (57%С02) то 3 кг/ч 0 -4,021 103 7,735 10 2 -7,168 10"4 м3/ч

5 то 3 кг/ч -0,359 -0,3645 0,8547 -0,106 РОз кгс/см2

С помощью данных таблицы 2 на рисунках 1 - 5 построены расчетные кривые, описывающие изменение параметров процессов в заданных диапазонах

Представлена методика расчета концентрации и производительности озона, учитывающая изменение температуры рабочего газа по длине разрядной зоны

Известно, что в разрядной зоне озонатора одновременно происходят процессы, как образования, так и разложения озона По данным некоторых работ при увеличении активной мощности электрического разряда концентрация озона асимптотически приближается к максимуму Дальнейшее увеличение активной мощности на концентрацию озона не влияет, она остается постоянной Этот результат возможен, если предположить, что константы химических реакций образования и разложения озона не зависят от внешних факторов и являются строго постоянными величинами Проведенные экспериментальные работы не подтвердили этот вывод Согласно полученным данным при определенном значении активной мощности концентрация озона достигает максимума, а при дальнейшем увеличении мощности уменьшается Этот результат получается, если предположить, что константа разложения озона зависит от температуры рабочего газа в разрядной зоне озонатора На основании этого вывода и используя известное кинетическое уравнение синтеза озона, автором было получено уравнение для расчета концентрации озона в виде

К„

Ррр К„„

К р___!_1 _к е * ('¿Г '

«(/„*, т„)_р кг°тге

(2)

Из формулы видно, что концентрация озона зависит от температуры рабочего газа на выходе из озонатора (Т„г) Поскольку заранее эта температура неизвестна, следовательно ее необходимо определить расчетным путем Формулу для определения температуры рабочего газа выводим, анализируя систему охлаждения электродов озонатора Система охлаждения озонатора должна предусматривать охлаждение

внутреннего и наружного электродов Схема такой системы охлаждения показана на рисунке 6

т._т^г_т.

¿т / / ч '/ / \РП,/гт, / У // IV™ И4. ш Р|

/1 и: / 1 IV Т„ , 1С

с!, \ /'/С IV, т„' к И'Д N

1 К, ш гх> IV,*.

.Р» ш ф -XV Ж Ч \ V / '/А V» Тгр 1, л

к 1С Т„, к И'г Кг

т ! т„

Л* -V-

■ \ N

^ Г—-иу'1 Ту1 I/

г., / Г ъ, \ ¡^

Рисунок б - Схема системы охлаждения электродов

На схеме показаны направления движения жидкости (ш„),газа (иг.,) и тепловые потоки (IV) Как видно из схемы охлаждающая жидкость подается последовательно, сначала на охлаждение внутреннего электрода, а затем наружного Рабочий газ подается с двух сторон равными расходами, а выводится через середину электрода Система состоит из трех зон охлаждение внутреннего электрода, охлаждение наружного электрода, охлаждение газа в разрядной зоне Для каждой зоны, на основании теории теплопередачи, были составлены уравнения, определяющие величины тепловых потоков Путем исключения промежуточных параметров была определена формула для расчета температуры рабочего газа на выходе из озонатора в виде

т„, = ЛIV,, + ВТ„х, + ДТвхв - ЕН'„ (3)

В формуле (3) коэффициенты А, В, Д, Е зависят от теплофизических свойств рабочего газа, воды и конструкции озонатора На модельной установке были проведены экспериментальные работы, в ходе которых в широком диапазоне изменялись значения активной мощности (от 0 до 1300Вт) и расход воды охлаждения (от 5 10~3 до 25 10"3 кг/с) Полученные экспериментальные данные приведены на рисунках 7-11, здесь же приведены расчетные данные, полученные по формулам (2) и (3) Расчет производился методом последовательных приближений

Сравнительный анализ показал хорошую сходимость экспериментальных и расчетных данных Отсюда можно сделать вывод, что разработанную методику можно использовать для практических расчетов в широком диапазоне изменения значений активной мощности, расходов газа и воды охлаждения При настройке озонаторной установки на заданный режим работы, в частности для получения заданных значений концентрации и расхода озона необходимо рассчитать требуемые значения активной мощности и расхода воды охлаждения электродов

о 01 02 аз 04 os 0£ 07 ол од 1 11 1.2 13

Wa *104 Вт

Рпс\ но к 7 Графнк ншснсння Со, при т,-5 кг/с

0

09 О в 07 0.Й О»

РнсунокЯ График МТкКНСННЛ Cot при О) «10 V101 кг/с

Рнс\ но к 9 Гр ti|iitK изменении Со, при т "20 х 101 кг/с

о 0,1 0.2 oj 0,4 аз о» 07 ол 09 1 11 12 и

Wax 10° Вт

РксунокЮ • График изменения Со, при mt «20 х 101 кг/с

/

/

о Hi 0.2 оз 04 o.s оа ОТ оа оа I it 12 13

Wax10J ВТ

Рисунок! I График ишснснна Со, при т, «25 х 101 кг/с

Разработанная методика дает такую возможность Пример расчета для заданной концентрации озона Со3=19 г/м3 приведен на рисунке 12 Из рисунка видно, что при подаче активной мощности 1100Вт необходимо подавать расход воды охлаждения 23 г/с, при подаче активной мощности - 1000Вт необходимо подавать расход воды охлаждения 78 г/с Наиболее экономически выгодным является режим работы \Уа = 1100Вт, тв= 23 г/с Разработанная методика расчета концентрации озона и производительности озонатора позволяет решать широкий круг вопросов, касающихся работы озонаторной установки и анализа процессов, происходящих в нем

■ - - 1100Вт, Д -\Уа- 1000Вт, • - = 900Вт

Рисунок 12 - Кривые изменения концентрации озона и температуры в зависимости от расхода воды охлаждения

В четвертой главе приведены результаты создания высокоэффективных озона-торных установок производительностью 0,25, 2, 5 кг/час, а также источников питания озонаторов мощностью до 100 кВт

В первом разделе дано описание озонаторной установки производительностью 0,25 кг/час, предназначенной для обработки питьевой воды с расходом до 70 м3/час, а также воды плавательных бассейнов объемом до 2000 м3 Озонаторная установка обеспечивает обеззараживание, дезодорацию и осветление воды Вода соответствует требованиям СанПиН 2 1 4 1074-01 «Питьевая вода Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения» Озонаторные установки производительностью 0,25 кг/час для обеззараживания воды плавательных бассейнов внедрены в 18 городах Российской Федерации, имеют гигиенический сертификат РФ № 52 от 13 10 94г

В разделе 2 приведено описание и технические характеристики озонатор-ных установок производительностью 2 и 5 кг/час Основой их создания послужил базовый генератор озона 9 29 6030 000 00 с металлическим эмалированным электродом, работающий на высокочастотном питании Конструкция его представлена на рисунке 13

Принципиальные пневмогидравлические схемы этих установок идентичны и отличаются между собой количеством генераторов озона, расходами рабочих сред, потребляемой Электроэнергией. В состав каждой ojo i шторной установки

входят:

- озОнаторныЙ модуль;

■ источник силового электрического литания с тиристорным преобразователем частоты и высоковольтным трансформатором,

- пульт управления.

Внешний вид модуля ОУ-5 производительностью 5 кг/ч представлен на рисунке 14.

Рисунок н Внешним вид озонэторпот о модуля ОУ -5

Результаты испытаний озонаторной установки производительностью 5 кг/час приведены на рисунке 15. Приведенные зависимости позволяют выбрать параметры работы озонатора. Энергозатраты на электросинтез озона при работе озонаторной установки на воздухе составляют 10 кВт -ч/кг озона.

Со, г/м\ Н1О3 кг/ч

В разделе 3 приведены электрические схемы и дано описание силовых электрических источников питания озонаторов различной мощности

Основные технические характеристики озонаторов с высоким энергетическим выходом озона в значительной степени зависят от характеристик источников питания Использование высокой частоты питающего напряжения озонатора позволяет создать источник с малыми массой и габаритами Показано, что наиболее эффективными являются преобразователи частоты, выполненные на основе инвертора, обеспечивающего преобразование постоянного напряжения в переменное Источники питания имеют широкий диапазон регулирования выходных электрических параметров, хорошо согласуются с нагрузкой, имеют простую силовую схему и малую установленную мощность элементов Для электропитания озонаторов различной производительности разработаны и изготавливаются преобразователи повышенной частоты мощностью 0,6 кВт, 5 кВт, 30 кВт, 100 кВт

В пятой главе представлены технологические процессы обработки питьевой воды, нейтрализации стирольных выбросов при производстве каучука, а также отбелки целлюлозы с применением озона вместо хлора Необходимость применения озона в технологии обработки питьевой воды доказана многочисленными исследованиями при очистке воды водоисточников многих регионов России Озонирование питьевой воды позволяет одновременно обеспечить обесцвечивание, устранение привкусов и запахов, и ее обеззараживание Приведена технологическая схема и дано описание метода обработки воды плавбассейнов озонированием Доза озона является важнейшим технологическим параметром для очистки питьевой воды, зависит от времени контакта и степени загрязнения воды Для обезвреживания поверхностных вод требуемой степени очистки она составляет от 3 до 4,5 г/м3 при времени контакта от 8 до 12 минут Применение озона в качестве окислителя органических соединений дает возможность разложить углеводороды, особенно непредельного ряда, в обрабатываемой газовой среде до углекислого газа и воды при низкой температуре

Нейтрализация стирольных выбросов в цехе №28 ОАО «Воронежсинтезкау-чук» позволила сократить эксплуатационные затраты на очистку отработанного воздуха, а также обеспечить уровень санитарных требований к очистке воздуха (концентрация стирола не более 10мг/м3)

Актуальным для целлюлозно-бумажных предприятий России является переход на отбелку целлюлозы без молекулярного хлора и его соединений На Кондо-пожском целлюлозно-бумажном комбинате создана опытно-промышленная установка для отбелки озоном 25 тонн целлюлозы в сутки с концентрацией 30-40 % Продолжительность обработки целлюлозы снижается на 30-50 % Одновременно снижается расход озона на 20-30 % за счет более полного и эффективного его использования Разработанный технологический процесс позволяет сократить объем капитальных затрат на очистку промышленных стоков на 10-20 %, а эксплуатационные затраты - на 15-25 % Применение озона позволит решить экономические и экологические проблемы повышения конкурентоспособности отечественной отбеленной целлюлозы на внутреннем и международном рынках

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

Исследованы зависимости производительности созданных озонаторов от конструктивных характеристик генераторов озона (состава эмали, длины разрядной зоны и величины разрядного промежутка, параметров рабочего газа) Доказано, что стеклоэмалевое покрытие обеспечивает высокий энергетический выход озона при более низких значениях напряжения Удельная производительность озонатора при работе на воздухе составляет 17 г/ч дм2 с единицы поверхности электрода При этом удельные затраты энергии на электросинтез озона составляют 10-12 кВт-ч/кг озона Проведены экспериментальные исследования и расчеты процесса охлаждения электродов озонатора Разработана методика расчета концентрации озона и производительности озонатора, в которой при расчете учитывается изменение константы разложения озона при изменении температуры рабочего газа в разрядной зоне озонатора На модельной установке проведены экспериментальные исследования и произведены расчеты по разработанной методике Произведен сравнительный анализ экспериментальных и расчетных данных, показавший хорошую сходимость Произведен расчет параметров для заданного значения концентрации озона Определены оптимальные расходы воды охлаждения электродов озонатора

Разработана базовая конструкция озонатора со стальным стеклоэмалевым охлаждаемым электродом, работающего на частоте тока до 10 кГц и пониженном напряжении до 4 - 5 кВ Конструкция базового озонатора разработана в 2-х вариантах однокорпусном и 4-х секционном Конструкция 4-х секционного озонатора позволяет более равномерно выдержать зазор между внутренним и наружным электродом Базовая конструкция озонатора послужила основой для создания озонатор-ных установок производительностью от 0, 015 до 5 кг/ч

Созданы озонаторные установки различной производительности (0,015, 0,15, 0,3, 2, 5 кг/ч) Они позволяют обеспечить оптимальный режим обработки питьевой воды и воды плавательных бассейнов, промышленных стоков, нейтрализации вредных стирольных выбросов при производстве синтетического каучука, отбелке

целлюлозы Эти установки прошли сертификационные испытания и имеют сертификат соответствия № РОСС RU АЯ 04 В 14881

Разработаны источники питания для озонаторных установок мощностью 0,6, 3, 5, 30, 100 кВт, работающие на частоте до 10 кГц Коэффициент мощности силовых установок составляет более 0,9

Разработана и внедрена в 18 городах Российской Федерации технология обработки воды в плавательных бассейнах объемом от 50 до 2000 м3 Качество воды в бассейнах соответствует требованиям СанПиН 2 1 2 1188-03 Озонаторные установки для обработки воды в плавательных бассейнах имеют гигиенический сертификат соответствия № 52 от 13 10 94 г Создана энергосберегающая технология очистки вентиляционного воздуха от стирольных соединений при производстве синтетических каучуков в цехе № 28 ОАО «Воронежсинтезкаучук» Экономический эффект от внедрения технологии очистки вентиляционных выбросов составляет -21,5 млн руб

Доказана возможность отбелки озоном целлюлозы высокой концентрации 30-40 % Сокращаются продолжительность обработки целлюлозы на 30-50 %, объем капитальных затрат на промстоки - на 10-20 % и эксплуатационные затраты - на 15-25 % Такой переход обеспечит повышение конкурентоспособности отечественной целлюлозы на международном и внутреннем рынках

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

€ - абсолютная диэлектрическая проницаемость материала барьера, Ф/м, S - площадь разрядной зоны, мм2, d-суммарная толщина диэлектрического барьера, мм, dee - внутренний диаметр внутреннего электрода, мм, dite - наружный диаметр внутреннего электрода, мм, dsw - внутренний диаметр наружного электрода, мм, Анн - наружный диаметр наружного электрода, мм, da - наружный диаметр эмали, мм, е0- абсолютная диэлектрическая проницаемость газа, применяемого в разрядной зоне, Ф/м, d„ - ширина газового промежутка, мм, Екр - критическая напряженность электрического поля в разрядном промежутке, кВ/м, U - напряжение питания озонатора, В, со - круговая частота питающего напряжения, рад/с, u (t), i (t) - мгновенные значения напряжения и тока, В, A, Um, Im - амплитудные значения напряжения и тока, В, А, U, I - действующие значения (эффективные) напряжения и тока, В, A, U,- напряжение горения, В, UKp- критическое напряжение, В, f - частота питающего напряжения, Гц, ' 1крср - среднее значение критического тока, A, Q„ - расход воды охлаждения, м3/ч,

Qr - расход рабочего газа, м3/ч, Ср - удельная теплоемкость воды, кДж/кг град, Taxa, Taxe - температуры газа и воды на входе в озонатор, °С, С„, С, - теплоемкости воды и газа, кДж/кггр, Со3 - концентрация озона, г/м3, tg ô — диэлектрические потери, W -полная мощность, ВА, Wa - активная мощность, Вт, W0 - удельная мощность, расходуемая на образование 1 кг озона, кВт ч/кг, X - коэффициент мощности озонатора, Хс Хэ - коэффициенты теплопроводности стали и эмали, Дж/м К, е - удельные энергозатраты, кВт ч /кг, А0- энергетический выход сухого рабочего газа, Дж/моль, Р - давление, МПа (кгс/см2), т- производительность по озону, кг/ч, ша- массовый рас-

ход воды охлаждения, кг/с, I - время изменения питающего напряжения, с, т - время пребывания рабочего газа в разрядной зоне, с, (. - длина разрядной зоны, мм

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

1 Пригожин В И Теоретические экспериментальные исследования создания высокоэффективного озонаторного оборудования / Пригожин В И, Бударин М В // «Альтернативная энергетика и экология» международный научный журнал -2004, №10,-С 16-20

2 Пригожин В И Опыт использования стеклоэмалей в барьерных озонаторах КБХА /Пригожин В И , Бударин М В , Литвинов В В //Информационный центр «Озон», №7, М , -1997 -С 7-10

3 Пригожин В И Оптимизация конструкторских узлов и агрегатов озона-торных станций для обеззараживания воды в плавательных бассейнах /Пригожин В И , Бударин М В , Литвинов В В , Поликарпов А И //Научно-технический юбилейный сборник КБХА Воронеж, -2001 -С 593-598

4 Пригожин В И Создание высокоэффективных озонаторных установок производительностью до 5кг/ч /Пригожин В И , Бударин М В // «Альтернативная энергетика и экология» международный научный журнал №11, -2004 -С 38-41

5 Пригожин В И Создание энергосберегающей технологии очистки воздуха от органических соединений методом озонирования при производстве синтетических каучуков / Пригожин В И, Бударин М В, Литвинов В В // Научно-технический юбилейный сборник КБХА Воронеж-2001 -С 599-603

6 Пригожин В И Создание новой энергосберегающей технологии очистки отработанного воздуха от органических соединений озонокаталитическим окислением /Пригожин В И , Бударин М В , Полуэктов П Т, Власова Л А и др //Производство и использование эластомеров №5,-1998 - С 3-6

Заказ № № Объем 1п л Тираж 100 экз Подписано в печать ЛЪ Р/ 2007 г Отпечатано в типографии ОАО КБХА

Введение.

Глава 1 Анализ выпускаемого озонаторного оборудования и технологий применения озона.

1.1 Анализ озонаторного оборудования, выпускаемого в Российской Федерации.

1.2 Озонаторное оборудование, выпускаемое зарубежными фирмами.

1.3 Области применения и перспективный рынок озонаторов.

Глава 2 Теоретические основы создания высокопроизводительного озонаторного оборудования.

2.1 Кинетика разложения и образования озона.

2.2 Разряды в газах.

2.3 Барьерный разряд.

2.4 Эквивалентная схема озонатора.

2.5 Вольтамперные характеристики озонаторов.

2.6 Динамическая вольтамперная характеристика.

2.7 Активная мощность озонаторов.

2.8 Коэффициент мощности озонаторов.

Глава 3 Экспериментальные исследования зависимости производительности от конструктивных и рабочих параметров озонатора.

3.1 Зависимость электросинтеза озона от конструктивных параметров озонатора.

3.1.1 Влияние свойств эмалей на электросинтез озона.

3.1.2 Зависимость характеристик озонатора от величины разрядного промежутка.

3.1.3 Зависимость характеристик озонатора от длины разрядной зоны.

3.2 Зависимость производительности от рабочих параметров озонатора.

3.2.1 Зависимость производительности озонатора от частоты тока.

3.2.2 Зависимость производительности озонатора от напряжения питания.

3.2.3 Влияние характеристик рабочего газа на производительность озонатора.

3.2.3.1 Зависимость производительности озонатора от состава, расхода и влажности рабочего газа.

3.2.3.2 Влияние давления в разрядном промежутке на синтез озона.

3.3 Методика расчета концентрации озона.

Глава 4 Создание высокоэффективных озонаторных установок различной производительности.

4.1 Озонаторная установка производительностью 0,25 кг/час.

4.2 Озонаторные установки производительностью 2 и 5 кг/час.

4.3 Источники питания озонаторов различной мощности.

Глава 5 Примеры использования озона в промышленности, сельском и жилищно-коммунальном хозяйствах.

5.1 Обработка питьевой воды.

5.2 Нейтрализация газовых стирольных выбросов при производстве каучука.

5.3 Озоновая отбелка целлюлозы

5.3.1 Взаимодействие волокнистого полуфабриката с озоном, пути повышения эффективности отбелки.

5.3.2 Отбелка целлюлозы озоном на ЦБК г. Кондопога.

Выводы.

В связи с постоянно ухудшающейся экологической обстановкой в России и в мире, растет интерес к использованию озона для обработки питьевой воды, очистки жидких и газовых токсичных выбросов, и во многих других технологических процессах различных отраслей промышленности. Существенным преимуществом окисляющих свойств озона перед хлором является отсутствие его отрицательного влияния на экологию окружающей среды. Озонирование является единственным универсальным методом обработки питьевой воды, поскольку уничтожает полностью все микробы, значительно уменьшает содержание в воде органики, очищает воду от загрязнения фенолами, железом, нитратами, марганцем, сероводородом, нефтепродуктами и другими вредными веществами. Озон используется и в сельском хозяйстве с целью уничтожения вредителей, возникающих при хранении зерна и других сельскохозяйственных продуктов.

Эффективным методом получения озона является его электросинтез в тихом (барьерном) разряде. Для высокопроизводительных озонаторов оптимальной является конструкция высокочастотных озонаторов с диэлектрическим барьером и двухсторонним охлаждением электродов.

Проведенные многочисленные исследования по очистке питьевой воды различных водоисточников во многих регионах России, имеющих высокий уровень загрязнения органическими и неорганическими веществами, показали, что без включения озона в процесс очистки воды невозможно обеспечить выполнение требований СанПиН 2.1.4.1074-01 [1] и получить воду требуемого качества [2]. В области очистки промышленных стоков разработаны технологические процессы по обезвреживанию фенола, гептана, красителей, поверхностно-активных веществ, нефтепродуктов. Очищенные воды можно повторно использовать в технических целях.

Воронежский филиал ГП НИИСК совместно с ОАО «Воронеж-синтезкаучук» и ОАО КБХА разработал технологию очистки вентиляционного воздуха от органических (стирольных) соединений методом озонирования при производстве синтетических каучуков [3]. Спектр реакции озона в газо-, жидко-и гетерофазных средах с другими веществами очень широк. Применение озона решает проблемы создания безотходных, экологически чистых производств [4]. В тоже время молекулы озона относительно нестабильны, и даже при отсутствии окисляемых веществ они со временем распадаются, образуя молекулярный кислород. Поэтому невозможно его длительное хранение и транспортирование на большие расстояния.

Для широкого внедрения озона в экологически чистых технологиях требуется создание отечественного высокопроизводительного озонаторного оборудования. Современные озонаторные установки имеют ряд недостатков:

- высокое удельное энергопотребление на электросинтез озона (16+20 кВт-ч/кг озона);

- низкая частота питающего напряжения (50-1000 Гц);

- внутренние электроды выполнены из стекла, которое не соответствует современным электрическим и механическим требованиям к материалам и требуют частой замены;

- конструктивное решение системы охлаждения разрядного промежутка с внешней или с внутренней стороны не позволяет обеспечить отвод тепла из разрядного промежутка, что приводит к частичному разложению озона;

- низкий удельный выход озона с единицы площади поверхности электрода (не более 0,9 г/дм -ч), что приводит к увеличению массы и габаритов озонаторных установок.

Исходя из вышесказанного, автором диссертации была поставлена задача создания озонаторов с производительностью до 5 кг озона в час, имеющих низкое удельное энергопотребление 10+12 кВт-ч/кг озона при работе на воздухе и высокий удельный выход озона с единицы площади поверхности электрода до 17 г/дм2-ч. С этой целью требовалось разработать оптимальную конструкцию озонатора с металлическими эмалированными электродами, провести исследования влияния различных факторов на эффективность работы озонаторов, разработать высокочастотные источники питания к ним.

В первой главе представлен обзор литературы, в котором проведен анализ отечественных и зарубежных разработок, рассмотрены преимущества и недостатки выпускаемого озонаторного оборудования, технологии применения озона. Показано, что озон может быть использован для очистки питьевой воды, бытовых и промышленных стоков, различных газовых выбросов, в целлюлозно-бумажной промышленности, в сельском хозяйстве, в медицине и во многих других технологических процессах различных отраслей промышленности. Более широкое использование озона при очистке в различных технологиях сдерживается высокими затратами энергии на его производство в существующих озонаторных установках.

Во второй главе приведены теоретические основы создания высокопроизводительного озонаторного оборудования. Показано, что основным методом получения озона является электросинтез озона в барьерном разряде, при этом эффективность синтеза озона зависит от многих физических факторов (активной мощности разряда, частоты электрического тока, состава диэлектрического барьера, конструкции озонатора и параметров рабочего газа).

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований зависимости производительности озонаторов от конструктивных решений и рабочих параметров генераторов озона. Проведенные экспериментальные исследования позволили создать высокочастотные озонаторы со стеклоэмалевы-ми металлическими электродами большой мощности. Разработана методика расчета концентрации озона и производительности озонатора в зависимости от активной мощности, расхода и температуры рабочего газа. Проведен тепловой расчет и выбран оптимальный режим охлаждения озонаторов.

В четвертой главе приведены описание конструкций и технические характеристики различных типов озонаторных установок, а также источников питания к ним, обеспечивающих частоту электропитания до 10 кГц.

В пятой главе приведены технологии применения озона при обработке питьевой воды и воды плавательных бассейнов. Озонаторные установки производительностью 0,15 и 0,3 кг озона в час для обработки воды плавательных бассейнов внедрены в 18 городах России.

Для нейтрализации газовых стирольных выбросов при производстве каучука создана опытно-промышленная установка и определены режимы ее работы в ОАО «Воронежсинтезкаучук». Разработана технологическая схема озоновой отбелки целлюлозы, которая прошла экспериментальную проверку на Кондопожском целлюлозно-бумажном комбинате.

Цель работы

Исследование процесса охлаждения электродов и его влияние на производительность озонатора. Разработка методики расчета концентрации озона и производительности озонатора в зависимости от активной мощности, расхода и температуры озоновоздушной смеси.

Исследование влияния конструктивных и рабочих параметров озонаторов на характеристики барьерного разряда и выход озона.

Создание высокоэффективных озонаторов с охлаждаемыми эмалированными электродами, имеющих низкое удельное энергопотребление и высокий удельный выход озона с единицы поверхности электрода.

Научная новизна работы

Проведены экспериментальные исследования процесса охлаждения электродов озонатора, позволившие разработать методику расчета концентрации озона и производительности озонатора, в которой учитывается изменение константы разложения озона при изменении температуры рабочего газа в разрядной зоне озонатора. Получены оптимальные расходы хладагента в зависимости от активной мощности, расхода и температуры озоновоздушной смеси.

Исследованы зависимости производительности от конструктивных и рабочих параметров озонаторов с охлаждаемыми стеклоэмалевыми электродами, работающие на электрическом токе высокой частоты, что позволило повысить удельный выход озона с единицы поверхности электрода и понизить удельные энергозатраты.

Определены оптимальные конструктивные и рабочие параметры озонаторов со стеклоэмалевыми охлаждаемыми электродами (длина разрядной зоны, давление в озонаторе, напряжение и частота питания), послужившие основой для разработки озонаторов нового поколения.

Разработаны технологические процессы обработки озоном питьевой воды и воды плавательных бассейнов, очистки токсичных газовых выбросов и отбелки целлюлозы.

Практическая ценность

Проведенные экспериментальные исследования электросинтеза озона, процесса охлаждения электродов позволили разработать оптимальную базовую конструкцию озонатора с охлаждаемым эмалированным электродом.

Впервые созданы высокоэффективные озонаторы различной производительности (от 0,015 до 5 кг/час) с охлаждаемыми эмалированными электродами, которые нашли применение для обработки питьевой воды и воды плавательных бассейнов, нейтрализации вредных стирольных выбросов при производстве синтетического каучука в ОАО «Воронежсинтезкаучук», в процессе отбелки целлюлозы на Кондопож-ском целлюлозно-бумажном комбинате. Озонаторные установки прошли сертификационные испытания и имеют сертификат соответствия № РОСС 1Ш. АЯ04. В14881. Созданные озонаторные установки по сравнению с зарубежными и отечественными, имеют:

- низкие удельные энергозатраты 10+12 кВт-ч/кг при работе на воздухе и 8+10 кВт-ч /кг при работе на кислороде (озонаторы со стеклянными электродами имеют удельные энергозатраты 16+18 кВт-ч/кг);

- высокий удельный выход озона с поверхности электрода до 17 г/дм2-ч (стеклянные электроды имеют удельный выход озона 0,5-0,9 г/дм -ч), что позволяет уменьшить в 2,5 раза массу и габариты озонаторов;

- меньшую стоимость (~ в 2 раза) и невысокие эксплуатационные затраты;

- более высокий ресурс работы и надежность установок (срок службы эмалированных электродов более 10 ООО часов);

Созданы источники питания для озонаторов мощностью от 0,6 до 100 кВт, работающие на частоте тока до 10 кГц.

Разработаны и внедрены в 18 городах Российской Федерации технологические процессы обработки воды в плавательных бассейнах объемом от 50 до 2000 м3 методом озонирования. Качество воды в бассейнах соответствует требованиям СанПиН 2.1.2.1188-03 «Гигиенические требования к устройству, эксплуатации и качеству воды плавательных бассейнов». Озонаторные установки для обработки воды в плавательных бассейнах имеют гигиенический сертификат соответствия № 52 от 13.10.94г.

Разработан и внедрен на ОАО «Воронежсинтезкаучук» технологический процесс очистки газовоздушных выбросов озонокаталитическим способом полного разрушения стирола, образующегося на стадии выделения каучука. В состав установки входят 3 озонатора производительностью 5 кг/ч озона каждый. Нейтрализация сти-рольных выбросов происходит в реакторе при температуре 6СН-80°С, степень очистки от стирола и других органических соединений составляет 95-98%. Экономический эффект от внедрения технологии очистки вентиляционных выбросов составляет -21,5 млн. руб.

На Кондопожском целлюлозно-бумажном комбинате создана опытно-промышленная установка и отработан технологический процесс отбелки озоном 25 тонн целлюлозы в сутки. Отбелка озоном целлюлозы высокой концентрации 30-40 % в трубчатом реакторе позволила снизить расход озона на 20-30 % и уменьшить время обработки на 30-50 %.

Результаты диссертационной работы докладывались на Всероссийском совещании «Пути перевода предприятий целлюлозно-бумажной промышленности на бесхлорные системы отбелки целлюлозы» (г. Москва, 1997г.), на конференции Всекитайской ассоциации по водоочистке (г. Гуанчжоу, 2005г.).

Выводы

1 Исследованы зависимости производительности созданных озонаторов от конструктивных характеристик генераторов озона (состава эмали, длины разрядной зоны и величины разрядного промежутка, параметров рабочего газа). Доказано, что стеклоэмалевое покрытие обеспечивает высокий энергетический выход озона при более низких значениях напряжения. Удельная производительность л озонатора при работе на воздухе составляет 17 г/ч-дм с единицы поверхности электрода. При этом удельные затраты энергии на электросинтез озона составляют 10+12 кВт-ч/кг озона.

2 Проведены экспериментальные исследования и расчеты процесса охлаждения электродов озонатора. Разработана методика расчета концентрации озона и производительности озонатора, в которой при расчете учитывается изменение константы разложения озона при изменении температуры рабочего газа в разрядной зоне озонатора. На модельной установке проведены экспериментальные исследования и произведены расчеты по разработанной методике. Произведен сравнительный анализ экспериментальных и расчетных данных, показавший хорошую сходимость. Произведен расчет параметров для заданного значения концентрации озона. Определены оптимальные расходы воды охлаждения электродов озонатора.

3 Разработана базовая конструкция озонатора со стальным стеклоэмале-вым охлаждаемым электродом, работающего на частоте тока до 10 кГц и пониженном напряжении до 4 + 5 кВ. Конструкция базового озонатора разработана в 2-х вариантах: однокорпусном и 4-х секционном. Конструкция 4-х секционного озонатора позволяет более равномерно выдержать зазор между внутренним и наружным электродом. Базовая конструкция озонатора послужила основой для создания озонаторных установок производительностью от 0, 015 до 5 кг/ч.

4 Созданы озонаторные установки различной производительности (0,015; 0,15; 0,3; 2; 5 кг/ч). Они позволяют обеспечить оптимальный режим обработки питьевой воды и воды плавательных бассейнов, промышленных стоков, нейтрале лизации вредных стирольных выбросов при производстве синтетического каучука, отбелке целлюлозы. Эти установки прошли сертификационные испытания и имеют сертификат соответствия № РОСС Яи. АЯ 04. В 14881.

5 Разработаны источники питания для озонаторных установок мощностью 0,6; 3; 5; 30; 100 кВт, работающие на частоте до 10 кГц. Коэффициент мощности силовых установок составляет более 0,9.

6 Разработана и внедрена в 18 городах Российской Федерации технология обработки воды в плавательных бассейнах объемом от 50 до 2000 м3. Качество воды в бассейнах соответствует требованиям СанПиН 2.1.2.1188-03. Озонатор-ные установки для обработки воды в плавательных бассейнах имеют гигиенический сертификат соответствия № 52 от 13.10.94 г. Создана энергосберегающая технология очистки вентиляционного воздуха от стирольных соединений при производстве синтетических каучуков в цехе № 28 ОАО «Воронежсинтезкау-чук». Экономический эффект от внедрения технологии очистки вентиляционных выбросов составляет ~ 21,5 млн. руб.'

7 Доказана возможность отбелки озоном целлюлозы высокой концентрации 30+40 %. Сокращаются продолжительность обработки целлюлозы на 30-50 %, объем капитальных затрат на промстоки - на 10-20 % и эксплуатационные затраты - на 15-25 % . Такой переход обеспечит повышение конкурентоспособности отечественной целлюлозы на международном и внутреннем рынках.

1. СанПиН 2.1.4.1074-01 Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству централизованных систем питьевого водоснабжения./Утвержден Главным государственным санитарным врачом Онищенко Г.Г. -Москва. -2001. -С. 6-17.

2. Орлов В.А. Озонирование воды.- М.: Стройиздат, 1984. -С. 8-22.

3. Филиппов Ю.В. Электросинтез озона. /Филиппов Ю.В., Вобликова В.А., Пантелеев В.И. М.: МГУ, 1987. -С. 44-47,65,71-74,145,215-233.

4. Смородин А.И. Высокочастотный генератор нового поколения. //Химическое и нефтегазовое машиностроение. -2003. № 9. -С.3-6.

5. Абрамович А.Ю. Достижения в создании современных промышленных озонаторов. /Абрамович А.Ю., Антонов В.Н., Данилин В.В., Кокурин М.П., Морозов М.Г., Пашин М.И. //Сб. науч. трудов. ВЭИ.-1992.-С. 12-16.

6. Бударин М.В. Обобщение некоторых аспектов при проектировании высокочастотных, высокопроизводительных озонаторных установок.

7. Бударин М.В., Пустовалов В.Е., Зубков В.И. и др. //Материалы Второй Всесоюзной конференции «Озон. Получение и применение». Москва, -1991. -С.18.

8. Анализ состояния производства озонаторного оборудования. //Информационный центр «Озон», -1997. №4. -26 с.

9. Белогурова М.А. Взаимодействие озона со средами. //Научнотехнический отчет КБХА№ 119-153-98. Воронеж,- 1998.-С. 19-20, 60-65.

10. Кожинов В.Ф. Озонирование воды. /Кожинов В.Ф., Кожинов И.В. М.: Стройиздат, 1974. -С. 53-58.

11. Чирков В.М. Очистка бытовых и промышленных сточных вод озонированием. //Обзор по материалам отечественной и зарубежной печати. Серия: экология. ГОНТИ-19. -1992. -135 с.

12. Ковалева В.В. Окислительная деструкция лигнина и лигноцеллю-лозных материалов под действием озона. //Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук/ МГУ. -Москва, -2000. -26с.

13. Кривопишин И.П. Озон в промышленном птицеводстве. -М.: Россельхозиздат, 1988. -С.41-49.

14. Федукина Р.И. Озонирование кормов для кур-несушек в производстве товарного яйца. /Федукина Р.И., Лисовская Т.А. //Материалы Первой Всероссийской конференции «Озон и другие экологически чистые окислители. Наука и технологии». Москва, -2005. -С. 164.

15. Кривопишин И.П. Применение озона в сельском хозяйстве. //Отчет Воронежского агроуниверситета. Воронеж, -1993. -С. 23-26.

16. Филиппов Ю.В. Электросинтез озона. / Филиппов Ю.В., Кобозев Н.И. //Журнал физической химии. -М.-1961.-Т.35. -С. 2078-2082.

17. Самойлович В.Г. О температурной зависимости кинетики электросинтеза озона из кислорода. /Самойлович В.Г., Гибалов В.И., Скорая Л.А. //Журнал физической химии. М. -1986. -Т.60, №5. -С. 1130-1134.

18. Вобликова В.А., Гаврилюк В.Б., Филиппов Ю.В. //Вестник МГУ. 1993., -Т.34, №4. - С. 367.

19. Энгель А. Физика и техника электрического разряда в газах. /Энгель А., Штенбек М. Перевод с немецкого. -М.: 1936. Т.1, -С. 5-6.

20. Грановский В. Л. Электрический ток в газе. М.: Наука, 1971. -С. 292 -302, 306-310, 328-332.

21. Козлов К.В. Современный уровень понимания механизма барьерного разряда в смесях кислорода с озоном. //Материалы Первой Всероссийской конференции «Озон и другие экологически чистые окислители. Наука и технологии». Москва,-2005.-С. 81-92.

22. Пичугин Ю. П. Структура барьерного разряда и синтез озона. //Материалы Первой Всероссийской конференции «Озон и другие экологически чистые окислители. Наука и технологии». Москва,-2005. -С. 146.

23. Пичугин Ю. П. Экспериментальное исследование структуры барьерного разряда. //Материалы Первой Всероссийской конференции «Озон и другие экологически чистые окислители. Наука и технологии». Москва, -2005. -С. 147.

24. Супронович Г. Улучшение коэффициента мощности преобразовательных установок. -М.: Энергоатомиздат, 1985. -С. 9-15.

25. Ли Пэйго. Особенности измерения активной мощности разряда в барьерном озонаторе. /Ли Пэйго, Соколова М.В. //Сборник докладов «Генераторы озона и озонные технологии». -М. -1997. №7, -С.73-75.

26. Пригожин В.И. Теоретические и экспериментальные исследования создания высокоэффективного озонаторного оборудования./Пригожин В.И., Бударин М.В. //Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология». -2004. №10, -С. 16-20.

27. Патент на изобретение № 2081070, РФ. Стеклокерамическое диэлектрическое покрытие для малоуглеродистых сталей. /Мартынова Е.Б., Лунин В.В., Шаброва Е.А., Вобликова В. А. -1997. -2с.

28. Бударин М.В. Опыт использования стеклоэмалей в барьерных озонаторах КБХА. /Бударин М.В., Литвинов В.В., Пригожин В.И. //Информационный центр «Озон», -М.-1997. №7,-С. 7-10.

29. Becker Н. /Wiss/ Verof. Simens konzen./1923.,Vol.3. P242.

30. Самойлович В.Г., Филиппов Ю.В. //Журнал физической химии. М. 1964. -Т.38, №11.-С. 2712.

31. Вобликова В.А., Филипппов Ю.В., Вендилло В.Ш. /Журнал физической химии. М. -1981. -Т.55, №12. -С. 3068.

32. Книпович Ю.М. Электросинтез озона из воздуха./Книпович Ю.М., Емельянов Ю.М., Филиппов Ю.В. //Журнал физической химии. -ТУЭ. -1973.-С.2618,2621.

33. Warburg Е., Leithauser L. /Ann. Phys. 1906. Bd. 20. S.743, 1907. Bd.23.1. S.209.

34. Васильев C.C. Об активационном процессе при реакциях в электрических разрядах. /Васильев С.С., Кобозев Н.И., Еремин E.H. //Журнал физической химии. М. -1937. -Т.10, -С. 543-567.

35. Житнев Ю.Н., Филиппов Ю.В. //Вестник МГУ. Сер. 2, Химия. -1988. -Т.4, №4. -С. 36.

36. Гаврилюк В.Б., Вобликова В.А., Филиппов Ю.В. //Вестник МГУ. Серия 2, Химия.- 1988. -С.13.

37. Перевод с английского под редакцией Петуховой Б.С. Справочник по теплообменникам. /Петухова Б.С., Шикова B.K. М.: Энергоатомиздат, 1987. -С. 234-235.

38. Патент №2026809 на изобретение. Высокочастотная озонаторная установка. /Пустовалов В.Е., Енина Н.В., Корниенко A.M. -1992.-2с.

39. Патент №2078026 на изобретение. Высокочастотная озонаторная установка. /Пустовалов В.Е., Тарасов Ю.Н. -1990. -2с.

40. Гигиенический сертификат. «Озонаторные станции типов ОС-25, ОС-25М, ОС-50М плавательных бассейнов» № 52 от 13.10.94. -1с.

41. Пригожин В.И. Создание высокоэффективных озонаторных установок производительностью до 5 кг/ч. /Пригожин В.И., Бударин М.В. //Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология». -2004. №11.-С. 38-41.

42. Лабунцов В.А. Энергетическая электроника. М.: Энергоатомиздат, 1987. -С. 18-23.

43. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи М.: Энергоатомиздат, 1986. -С. 15-21.

44. Силкин Е.М. //Отчет НИОКР по разработке серии источников питания для озонаторов. «Системотехника» НТЦ. Ульяновск. -1991. -С. 14-22.

45. Общие проблемы снижения коммутационных потерь в инверторах напряжения. //Схемотехника. -2001. №7.-С. 17.

46. Розянов Ю.К. Основы силовой преобразовательной техники. -М: Энергия, 1979. -С. 169-177.

47. Озонаторная установка ДС-1 .Паспорт. Воронеж, ФГУП ИК КБХА. -2002. -С. 9.

48. Агрегат ТСПЧ-5-1/0,7-2,4. Техническое описание. «Системотехника» НТЦ. Ульяновск, -1992. - 22с.

49. Агрегат ТСПЧ-30-1,0-2.4-УХЛ-1.Техническое описание. «Системотехника» НТЦ. Ульяновск, -1993. - 20с.

50. Генератор среднечастотный СЧГ8-100/2,4М. Техническое описание. -Санкт-Петербург, НИИТВЧ, -1994. 25с.

51. Трансформатор ТСВ1-150. Паспорт. -Санкт-Петербург, НИИТВЧ, -1994. -С. 2-5.

52. Смородин А.И. Высокочастотный генератор озона нового поколения //Химическое и нефтегазовое машиностроение. -2003. №7. -С. 3-5.

53. Чирков В.М. Применение озона для очистки и обеззараживания природных вод. //Обзор по материалам отечественной и зарубежной печати. Серия: экология. ГОНТИ-19. -1991. -С.14-20.

54. Пригожин В.И. Создание высокоэффективного озонаторного оборудования и технологий применения озона при очистке питьевой воды. //Доклад на конференции в Гуанчжоу. -2005. 11с.

55. Рогожкин Г.И. Количественная оценка кинетики и эффективности процессов озонирования воды. //Материалы Первой Всероссийской конференции «Озон и другие экологически чистые окислители. Наука и технологии». Москва, -2005. -С. 178.

56. Алексеев С.Е. Применение озонирования для интенсификации процессов очистки природных и сточных вод. //Материалы Первой Всероссийской конференции «Озон и другие экологически чистые окислители. Наука и технологии». Москва,-2005. -С. 179.

57. Грудинин В.П. Предложение отечественной технологии и оборудования для бесхлорной отбелки волокнистых полуфабрикатов при средней и высокой концентрации. /Грудинин В.П. и др. //Доклад на Всероссийском совещании. Москва, -1997. -14с.

58. Скребец Т.Э. Применение озона для отбелки целлюлозы./ Скребец Т.Э., Боголицын К.Г., Сыркова Т.С. //Материалы Первой Всероссийской конференции «Озон и другие экологически чистые окислители. Наука и технологии». Москва, -2005.-С. 240 -241.

59. Боголицын К.Г. Перспективы озонных технологий в химической переработке древесины. /Боголицын К.Г., Скребец Т.Э. //Материалы Первой Всероссийской конференции «Озон и другие экологически чистые окислители. Наука и технологии». Москва, -2005. -С. 42-43.

60. СанПиН 2.1.2.1188-03. Гигиенические требования к устройству, эксплуатации и качеству воды плавательных бассейнов. /Утвержден Главным государственным санитарным врачом РФ Онищенко Г.Г., Москва, -2003. -С.3-13.