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Verfahren zum Trocknen eines Ozon-Sauerstoffgemisches, das bei der
Ozonisierung von Wasser im Kreislauf geführt wird Bei der Ozonisierung von Wasser
liegt eine besondere Schwierigkeit darin begründet, daß sich in den üblichen Ozonerzeugern,
in denen man einen b;uft oder Sauerstoffstrom unter annähernd atmosphärischem Druck
durch stille elektrische Entladungen mit Ozon anreichert, die Konzentration des
erzeugten Ozons nur bis auf etwa 100 g/m3 bei Verwendung von Sauerstoff steigern
läßt; bei der Ozonisierung von Luft liegt diese Konzentrationsgrenze erheblich tiefer.
Will man die Ozonerzeugung mit erträglichen elektrischen Verlusten betreiben, so
muß man noch weit unter diesem Maximalwert bleiben. Wenn man das zu ozonisierende
Wasser mit einem ozonhaltigen Luft- oder Sauerstoffstrom in Kontakt bringt, so läßt
sich auf Grund des des System Ozon-Wasser eigenen Verteilungskoeffizienten im Wasser
nur etwa ein Drittel der Ozonkonzentration herstellen, die im Gas vorliegt Um hohe
Ozonkonzentrationen im Wasser zu erhalten, muß man zwangläufig die Konzentration
des Ozons im Gas erhöhen. Will man dabei aus Sicherheitsgründen die bei 9 Gewichtsprozent
Ozongehalt liegende Explosionsgrenze nicht überschreiten, so darf man eine erhöhte
Ozonkonzentration nur bei Verdichtung des Trägergases zulassen. Diese Forderung
kann entweder dadurch erfüllt werden, daß man ein bereits unter einem Überdruck
stehendes Gas (Luft oder Sauerstoff) der stillen elektrischen Entladung aussetzt,
oder dadurch, daß man das bei gewöhnlichem Druck ozonisierte Gas nachträglich komprimiert.
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Bekannte Verfahren, bei denen der erstgenannte Weg beschritten wird,
also das zu ozonisierende Gas bereits unter Druck in die Ozonisierungsvorrichtung
einströmt, weisen den Nachteil auf, daß die Ozonerzeugung unter höherem als atmosphärischem
Druck mit schlechterem energetischem Wirkungsgrad vor sich geht und daß in den meisten
Fällen die für das Gas erforderliche Trocknungsvorrichtung druckfest ausgelegt sein
muß; dazu tritt natürlich die tech nische Schwierigkeit, den Ozonerzeuger selbst
sowohl druck- als auch hochspannungsfest auszubilden. Es sind auch Vorrichtungen
bekannt, die den zweiten genannten Weg beschreiten, also erst nach der Ozonisierung
das Gas komprimieren.
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Bei der Verwendung von Sauerstoff zur Ozonerzeugung ist es bekannt,
den nach der Auswaschung des Ozons verbliebenen überschüssigen Sauerstoff wieder
in die Ozonanlage zurückzuleiten, zu trocknen und nach der Vermischung mit zusätzlichem,
frischem Sauerstoff wieder 4n Iden Ozonerzeuger einzuführen.
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Dieses Verfahren bietet einmal den Vorteil, daß der Verbrauch an
Sauerstoff relativ niedrig bleibt,
und zum anderen Mal, daß das Waschwasser nur echt
gelösten Sauerstoff wegführt, so daß Korrosionen durch mitgeführten gasförmigen
Sauerstoff vermieden werden, jedoch bereitet die Trocknung des zurückgeleiteten,
noch Ozon enthaltenden Sauerstoffs Schwierigkeiten, weil die Trocknungsanlage sowohl
druckfest als auch ozonbeständig sein muß.
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Gegenstand der Erfindung ist demgegenüber ein Ozonisierungsverfahren,
bei dem das Ozon unter normalem, im wesentlichen atmosphärischem Druck erzeugt und
unter erhöhtem Druck ausgewaschen wird und welches so geleitet ist, daß einerseits
der bekannte Vorteil fder Ozonauswaschung unter erhöhtem Druck erhalten, gleichzeitig
aber eine platzraubende und teure Gastrocknungsanlage eingespart wird, so daß der
Mehraufwand für die Komprimierung des Gases durch besonders niedrige Gesamtkosten
der Anlage ausgeglichen wird.
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Die Erfindung ist daher ein Verfahren zum Trocknen eines Ozon-Sauerstoff-Gemisches,
daß bei der Ozonisierung von Wasser im Kreislauf geführt wird, Idadurch gekennzeichnet,
daß Ider aus dem Ozonerzeuger austretende ozonhaltige Gasstrom zunächst komprimiert
und unter Druck ausgewaschen wird, worauf das überschüssige Gas gekühlt, dann entspannt
und schließlich in bekannter Weise mit frischem, noch nicht ozonisiertem Gas angereichert
wieder in Iden Ozonerzeuger zurückgeleitet wird, wobei das Druckverhältnis zwischen
komprimiertem und entspanntem Gas so gewählt wird, daß die Kühlung nicht tiefer
als auf den Schmelzpunkt des Wassers getrieben wird und nach der Entspannung ein
die Ozonerzeugung nicht mehr merklich beeinträchtigender Wassergehalt des Gasgemisches
vorliegt.
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Es ist bekannt, daß die Ozonerzeugung um so wirtschaftlicher vor
sich geht, je trockner das Ausgangsgas ist, Idaß aber eine Trocknung unter einem
Wassergehalt von etwa 1 bis 2 g/m3 keine bedeutenden
Vorteile mehr
bringt. Nach der Erfindung wird dieser Feuchtigkeitsgehalt in dem zum Ozonerzeuger
strömenden Gas dadurch mit Sicherheit unterschritten, daß das Gas zunächst komprimiert,
dann gekühlt und schließlich wieder entspannt wird, wobei die Kühlung nur bis dicht
oberhalb des Gefrierpunktes von Wasser getrieben wird, um zu vermeiden, daß Abtauvorrichtungen
eingebaut werden müssen. Bei einer Temperatur von beispielsweise + 20 C, auf die
das Gas gekühlt werden kann, beträgt der Dampfdruck des Wassers 5,3 Torr und die
absolute Feuchte etwa 5,6 g/m3. Beträgt beispielsweise dann der Druck des Gases
6 Atm und entspannt man das Gas nach der Kühlung auf etwa 1 Atm, so fällt der Wassergehalt
auf 5X6 = 0,93 g/ma, 6 also unter die oben angeführte Grenze. Eine besondere Trocknungseinrichtung
ist Idann für das Gas, welches nach der Entspannung dem Ozonerzeuger zugeführt wird,
nicht erforderlich. Eine weitere Trocknung erfolgt, wie weiter unten ausgeführt
ist, noch dadurch, daß die durch Auflösung von Ozon und Sauerstoff verbrauchte Gasmenge
durch frischen trockenen Sauerstoff ersetzt wird, der vor dem Ozonerzeuger in den
Gasweg eingeschleust wird.
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Weiter schlägt die Erfindung vor die Verwendung von flüssigem Sauerstoff
für die beschriebene Abkühlung des komprimierten Gases, welches nach Entspannung
in den Ozonerzeuger geführt wird. In Anlagen mit großen Ozonleistungen ist es nämlich
zweckmäßig, nicht von Flaschensauerstoff, sondern von flüssigem Sauerstoff auszugehen,
der ohne Schwierigkeiten in Tankwagen bezogen werden kann. Dieser flüssige Sauerstoff
ist sehr kalt und absolut trocken und muß vor der Einspeisung in die Ozonanlage
verdampft werden. Einen Teil der benötigten Verdampfungswärme kann man dem komprimierten
Gas entnehmen, das dem Ozongenerator zugeführt wird, und dieses dadurch abkühlen.
Wenn dieses Gas feucht ist, weil es beispielsweise bei der vorangegangenen Auswaschung
von Ozon Wasser aufgenommen hat, so bildet sich bei seiner Abkühlung mit Hilfe einer
Leitung, durch die flüssiger Sauerstoff fließt, auf dieser Leitung eine wärmeisolierende
Eisschicht, die gerade so dickt wird, daß ihre Oberflächentemperatur nahe bei 0°
C liegt. An dieser Eisoberfläche wird das zu kühlende Gas auf annähernd OQ C gebracht,
und das ausfallende Wasser fließt flüssig ab, beispielsweise in das unter gleichem
Druck stehende Auswaschgefäß. Zur vollständigen Verdampfung des flüssigen Sauerstoffs
kann noch ein besonderer Verdampfer nachgeschaltet werden, der mit Luft, kaltem
oder warmem Wasser, Dampf oder einem anderen Wärmeträger beheizt wird.
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Erfindungsgemäß ist es möglich, mit geringstem Aufwand eine unter
Druck stehende, hoch konzentrierte Ozonlösung herzustellen, die beispielsweise direkt
in eine Wasser-Druckleitung eingeimpft werden kann. Die besonderen Vorzüge dieses
sogenannten indirekten Ozonverfahrens sind bekannt.
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Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels einer nach dem Verfahren der Erfindung betriebenen Ozonanlage
an Hand der Zeichnung. Diese zeigt schematisch eine nach dem indirekten Verfahren
arbeitende
Anlage, wobei jedoch selbstverständlich auch andere Ausführungsformen, auch bei
direkt arbeitenden Ozonanlagen, möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Von einem Sauerstoffvorrat 02 aus wird frischer Sauerstoff über eine
an sich bekannte ventilgesteuerte Nachschubvorridhtung V10 in einen Gaskreislauf
eingeschleust. Dieser besteht aus dem Ozonerzeuger G, dem Drosselventil V1, der
ozonfesten Druckpumpe P1, dem pneumatisch betätigten Dreiwegeventil V12, dem Rückschlagventil
V6, der druck-und ozonfesten Auswaschvorrichtung K mit Schwimmerventil 173, der
Vorlage A, dem Kühler B und dem Expansionsventils V2. Ferner kann noch ein Strömungsmesser
R 2 vorgesehen sein. Aus der Zeichnung ist gleichfalls zu ersehen, wie die Führung
des Wassers in der Ozonanlage vorgenommen wird. Aus der zu behandelnden, unter Druck
stehenden Wasserleitung wird ein erster TeilstromKW für Kühlzwecke entnommen und
über das EinstellventilV7 und den Strömungsmesser R3 zum Ozonerzeuger G und zur
Druckpumpe P1 geleitet. Danach fließt er in die Abflußleitung L. Ein zweiter Wasser-Teilstrom
BW wird von einer Druckpumpe P2 über den StrömungsmesserR1 und das Rückschlagventil
174 entnommen und über die Einspritzvorrichtung S in die Auswaschvorrichtung K,
die etwa als Absorptionskolonne ausgebildet sein kann, eingespritzt.
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Durch die Druckpumpe P2 wird erreicht, daß in der -Auswaschvorrichtung
K ein höherer Druck als in der zu behandelnden WasserleitungD vorliegt, so daß das
Wasser nach der Anreicherung mit Ozon und Sauerstoff am unteren Ende der Auswaschvorrichtung
K über das Ventil V3 direkt in die Leitung D einströmen kann. Durch das Schwimmerventil
173 wird erreicht, daß sich inlder Auswlaschvorrichtung K ein konstanter Wasserspiegel
einstellt.
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Es kann nur dann ozonhaltiges Gas über die Ventile V12 und V6 in
das untere Ende der Auswaschvorrichtung K einströmen, wenn der Druck dieses Gases
größer ist als der von der Wasserpumpe P2 erzeugte und mit Hilfe des Schwimmerventils
V3 in der Auswaschvorrichtung K aufrechterhaltene Druck.
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Die Drnckpumpe Pl muß also den erforderlichen Gasdruck herstellen.
Sobald1 arbeitet, strömt das Gas, welches unter normalem Druck im Ozonerzeuger G
ozonisiert worden ist, über V12 und V6 in die Auswaschvorrichtung K ein, wird dort
unter erhöhtem Druck vom Wasser ausgewaschen und verläßt über die Leiturig R die
Auswaschvorrichtung, strömt über die Vorlage A zum Kühler B und wird dort auf eine
Temperatur gebracht, Idie nur wenig über dem Gefrierpunkt des Wassers liegt, beispielsweise
auf + 10 C. Sowohl in der Vorlage A als auch im Kühler B kann sich Wasser abscheiden
oder kondensieren und über die Leitungen KL 1 und Kl 2 in den Wasservorrat der Auswaschvorrichtung
K zurücklaufen. Aus Idem Kühler B tritt Idas immer noch unter Druck stehende Gas
mit einem Feuchtigkeitsgehalt aus, der durch die Kühlertemperatur gegeben ist. In
dem Expansionsventil V2 wird diese Gas wieder auf einen Druck entspannt, der in
der Größenordnung des Atmosphärendrucks liegt. Die relative Feuchtigkeit des Gases
sinkt dadurch auf den reziproken Faktor, um den der Druck abfällt. Wenn beispielsweise
im Auswaschgefäß K ein G>asdruck von 5 atü = 6 Atm herrscht und im Expansionsventil
172 der Druck auf 0 atü = 1 Atm abgesenkt wird, so fällt
der Wassergehalt
pro Kubikmeter Gas auf ein Sechstel ab.
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Das in der Zeichnung dargestellte Beispiel einer nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren betriebenen Ozonanlage vereinigt in sich mehrere Vorteile: Die Abmessungen
der Auswaschvorrichtung K sind gegenüber einer gleich leistungsfähigen Vorrichtung
für Atmosphärendruck um den Faktor der Druckerhöhung kleiner. Der aus der Auswaschvorrichtung
K austretende Wasserteilstrom weist eine Ozonkonzentration auf, die um den Faktor
der Druckerhöhung größer ist als bei Auswaschung unter Atmosphärendruck. Zwischen
Auswaschvorrichtung K und zu behandelnder WasserleitungD ist keine Druckerhöhungspumpe,
die ozonfest ausgeführt sein müßte, erforderlich. Die bekannten Vorteile der indirekten
Entkeimung mit Hilfe eines imprägnierten Teilstroms sind uneingeschränkt vorhanden,
wie z. B. Entbehrlichkeit eines besonderen Entgasungsbehälters, Fortfall eines zweiten
Pumpensatzes und einfache Dosiermöglichkeit. Statt der für hohe Gasdurchsätze teuren
und wegen der im zurückgeführten Gas noch vorhandenen Ozonreste notwendigerweise
ozonfesten Trocknungseinrichtung herkömmlicher Bauart wird in der erfindungsgemäßen
Ozonanlage eine ausreichende Gastrocknung allein durch Anwendung eines einfachen
Kühlers und eines einfachen Expansionsventils V2 erzielt. Die Ozonerzeugung selbst
geht unter einem Druck vor sich, der in der Größenordnung des Atmosphärendrucks
liegt, was die be-
kannten Vorteile bietet. Die Einspeisung des Nachschubsauerstoffs
kann, wie in der Zeichnung dargestellt, so erfolgen, daß eine Entleerung des Sauerstoflbehälters
bis zu einem Druck von wenig über einer Atmosphäre möglich ist. Bei Verwendung von
flüssigem Sauerstoff wird dieser vor dem Eintritt in den eigentlichen Verdampfer
als Kühlmittel durch den KuhlerB geleitet, so daß eine besondere Kühlmaschine nicht
erforderlich ist. Auch ein Abtauen ist nicht erforderlich, weil man nicht tiefer
als auf etwa 0° C kühlen will.