Генератор озона нового поколения

А.И. Смородин, Е.И. Сторчай

Генератор озона нового поколения

ISBN 978-5-7038-4679-7

УДК 621.7
ББК 34.64
С51

Рецензент 
старший научный сотрудник лаборатории катализа и газовой электрохимии 
кафедры физической химии химического факультета МГУ 
им. М.В. Ломоносова, канд. хим. наук В.Г. Самойлович

С51
Смородин, А. И.

Генератор озона нового поколения : А. И. Смородин, 

Е. И. Сторчай. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 
2017. — 111, [3] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-4679-7

Рассмотрена идея создания унифицированного генератора озона 
с паяными алюминиевыми пластинчато-ребристыми электродами, 
на поверхности которых электрохимическим путем сформирован барьер в виде наноструктурированного анодного оксидного покрытия, 
контролируемого по толщине и свойствам  технологическим процессом его образования. 
Для инженерно-технических работников предприятий, конст- 
рукторов и технологов научно-исследовательских и проектных институтов, а также для студентов вузов и техникумов.

 УДК 621.7
                                                                                                             ББК 34.64

© Смородин А.И., Сторчай Е.И., 2017
© Оформление. Издательство
     МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017

Предисловие

В книге изложена идея создания унифицированного генератора озона с паяными алюминиевыми пластинчато-ребристыми 
электродами, на поверхности которых электрохимическим путем 
сформирован барьер в виде наноструктурированного анодного оксидного покрытия, толщина и свойства которого регулируются технологическим процессом его образования. 
Цилиндрическая конструкция электродов при низкой удельной металлоемкости в сочетании с технологией вакуумной 
пайки позволяют создать тонкостенные электроды с повторяемыми геометрическими характеристиками, практически идеальной плоскостностью рабочих поверхностей и их двухсторонним 
эффективным охлаждением при синтезе озона. Рассмотрены: 
конструктивно-технологические аспекты создания пластинчато-ребристых электродов; гидродинамика их охлаждения; технология пайки; влияние структуры, морфологии, геометрических и 
электрических параметров оксидного покрытия на выходные показатели синтеза озона, работоспособность и эксплуатационную 
надежность пластинчато-ребристых электродов.
На основе результатов выполненных исследований разработана типовая опытно-промышленная озонаторная установка нового поколения производительностью 0,25 кг озона в час с возможностью получения высоких (до 150 г/м3) и сверхвысоких (до 250 г/м3) 
концентраций озона при минимальных энергозатратах. При этом 
обеспечиваются: технологичность и экологичность изготовления 
электродов, генерация озона с повторяемыми технологическими 
характеристиками; эквидистантность электродов при сборке с 
минимальным разрядным промежутком (от 0,1 мм); эффективное 
охлаждение электродов благодаря высокой теплопроводности оксидных покрытий при малой толщине (до 100 мкм) и оптимизации профиля теплообменных насадок, размещенных с тепловым 

Предисловие

контактом во внутренней полости электродов; низкая удельная 
металлоемкость генератора озона; использование для охлаждения 
электродов коррозионно-неактивных хладагентов. 
Авторами монографии обобщены результаты исследований, 
выполненных в этом направлении совместно с Л.С. Лантушенко, Ю.Н. Лантушенко, М.М. Пашиным, М.К. Скольцовой, 
В.И. Савельевой, В.М. Скольцовым, В.В. Станотиной. В какой-то 
мере они нашли отражение в полученных патентах, статьях и докладах на конференциях различного уровня, однако, к сожалению известных и доступных лишь узкому кругу специалистов. Поэтому 
систематизированное изложение имеющихся данных будет, безусловно, полезно инженерно-техническим работникам предприятий, конструкторам и технологам научно-исследовательских и 
проектных институтов, а также студентам вузов и техникумов.

Введение

Озон (О3) является экологически чистым и мощным окислителем, способным вступать в химические реакции при нормальных давлении и температуре, не оставляя продуктов, загрязняющих окисляемое вещество, что выгодно отличает его от других 
окислителей и в условиях катастрофического ухудшения экологической ситуации объясняет масштабный спрос на установки озонирования. 
Изучением и возможностями применения озона занимается широкий круг специалистов и организаций, объединенных в 
рамках Международной ассоциации по изучению озона (IOA), 
созданной в 1973 г. Обсуждение научных и технологических достижений в этой области регулярно проводится под руководством 
академика Российской академии наук В.В. Лунина на Всероссийском семинаре «Озон и другие экологически чистые окислители. 
Наука и технологии» в Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова. 
Применение озона технически и экономически оправдано при: 
очистке (обеззараживании) питьевой воды и промышленных стоков (в металлургии, нефтепереработке, на целлюлозно-бумажных 
комбинатах и др.); бесхлорном отбеливании целлюлозы; переработке жидких радиоактивных отходов; рециклинге изношенных 
автопокрышек; очищении воды плавательных бассейнов; регенерации нефтяных пластов и скважин; хранении сельскохозяйственной продукции; в медицине и многих других областях.
Решение некоторых задач — например, утилизации жидких радиоактивных отходов непосредственно на атомных электростанциях — без использования озона представляет значительные трудности или вовсе невозможно. 
Наиболее широко озонная технология применяется в сфере подготовки питьевой воды. Первые станции озонирования воды были построены в Нидерландах (1893) и во Франции (1898). В России станция 

Введение

водоподготовки производительностью 50 000 м3 О3/сут была открыта в 
Санкт-Петербурге в 1905 г. 
Сегодня озонирование питьевой воды проводится в 30 странах 
мира, среди которых лидерами по количеству озонаторных установок являются: Франция, Швейцария, Германия, Австрия, Канада. 
Россия в настоящее время для целей водоподготовки потребляет ~ 
600 кг О3/ч, в то время как Франция ~ 7500 кг О3/ч, причем практически все городские водопроводные станции Франции переведены на озонную очистку воды. 
В настоящее время созданы и на основе новых технических 
решений продолжают совершенствоваться озонаторные установки различной производительности, а сфера применения озонных 
технологий постоянно расширяется. 

Глава 1

S-ЗАКОН РАЗВИТИЯ ОЗОНАТОРНЫХ УСТАНОВОК 
И ПОКАЗАТЕЛИ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИНТЕЗА ОЗОНА 

Элементы комплектной озонаторной установки (рис. 1.1) 
приводится в ГОСТ Р 51706–2001 «Оборудование озонаторное. 
Требования безопасности», утвержденного и введенного в действие Постановлением Госстандарта России от 26 января 2001 г. 
№ 36-ст. 
Основным элементом установки является генератор озона 
(ГО) с источником питания (ИП). В ГО осуществляется процесс 
синтеза озона из: кислорода воздуха; воздуха, обогащенного кис
Рис. 1.1. Структура комплектной озонаторной установки

Генератор озона нового поколения

лородом; кислорода или азотно-кислородных смесей под воздействием электрического разряда. 
По производительности (Q) озонаторные установки можно 
классифицировать на установки малой (до 5 кг/ч), средней (от 5 до 
100 кг/ч) и большой (более 100 кг/ч) производительности озона:

Q = VZ,                                                 (1.1)
где V — расход рабочего газа, м3/ч; Z — концентрация озона на выходе из ГО, г О3/нм3.
В зависимости от производительности ГО включает от двух 
до нескольких сотен электродов, конструкция которых с учетом 
принципа совместимости используемых материалов и технологии изготовления постоянно совершенствуется и ориентирована 
на получение высоких (до 150 г/м3)  и сверхвысоких (до 250 г/м3) 
концентраций озона.
Теорию развития технических систем [1] можно применить 
и к озонаторостроению. На рис. 1.2 в координатах «концентрация озона Z — время τ» в виде S-образных логистических кривых 
с размытой во времени точкой бифуркации показана эволюция 
конструкции электродов ГО [2].

Рис. 1.2. Закон развития технических систем 
(S-закон) применительно к озонаторостроению

Кривая 1 характеризует эволюцию процесса синтеза озона 
в ГО с трубчатыми стеклянными и металлическими (из коррозионно-стойкой стали) электродами со стеклоэмалевым барьерным покрытием, размещенными в цилиндрическом корпусе. 
Следует отметить, что сегодня практически весь производимый в 
мире озон синтезируют именно в таких генераторах с применением в качестве рабочего газа воздуха или кислорода [3]. Использование кислорода вместо воздуха является менее затратным способом 

Глава 1. S-закон развития озонаторных установок и показатели... 

получения озона, и в современной практике озонаторостроения 
крупные комплексы, синтезирующие сотни килограммов озона в 
час, работают только на кислороде. Производство озона из воздуха 
с относительной влажностью 50...60 % нерентабельно.

Генераторы озона со стеклянными электродами работают на 
частоте w питающего напряжения 50...1000 Гц. Дальнейшее повышение w при одностороннем отводе теплоты из зоны реакции приводит к перегреву газа в разрядном промежутке, а следовательно, и 
к разложению образовавшегося озона. 
После замены стеклянных трубчатых электродов на более 
короткие металлические со стеклоэмалевым покрытием фирме 
«Озония АГ» удалось минимизировать зазор разрядного промежутка до 0,45 мм и получить более равномерное распределение 
микроразрядов в зазоре, что позволило в совокупности повысить 
выход озона с единицы поверхности электрода. 
Достижение высоких и сверхвысоких концентраций озона и 
увеличение производительности ГО возможно при компланарном 
повышении частоты w тока свыше 1000 Гц и эффективного охлаждения электродов. Однако для трубчатой конструкции ГО это 
является непреодолимым барьером, так как односторонний отвод 
тепла из зоны реакции приводит к перегреву рабочего газа в разрядном промежутке и разложению синтезируемого озона. 
Применение стеклоэмалевых покрытий в качестве диэлектрического барьера на плоских металлических электродах при 
их двустороннем охлаждении позволило с относительно малыми 
затратами энергии получать озон более высокой концентрации 
(кривая 2 на рис. 1.2) благодаря увеличению теплоотвода с рабочих поверхностей электрода и повышения w при синтезе озона [3].
Тонкостенные гофрированные электроды, изготовленные 
штамповкой листов из стали 12Х18Н10Т, сваркой и последующим 
нанесением специального стеклоэмалевого покрытия толщиной 
0,5 мм в качестве диэлектрического барьера, используются в отечественной озонаторной установке ОУ-25 [4, 5]. Однако недостатком такой конструкции электрода является сложность процесса 
формообразования гофрированных стальных мембран и многопередельность технологии получения диэлектрического барьера в 
виде многослойного стеклоэмалевого покрытия, что не позволяет изготовления электродов с повторяемыми характеристиками и 
обеспечением расчетной эквидистантности зазора.

Генератор озона нового поколения

Нижеперечисленные общепринятые взаимосвязанные показатели определяют эффективность синтеза озона: 

• расход рабочего газа V, м3/ч; 
• концентрация озона на выходе из генератора Z, г О3/нм3;
• производительность генератора Q = VZ, г/ч; 
• удельный выход озона qуд = Q/S, г О3/дм2 ∙ ч, где S – поверхность электрода, дм2;

• вложенная в разряд мощность Р, кВт;
• удельные энергозатраты на синтез озона σ = Р/Q, кВт ∙ ч/кг О3;
• приведенная энергия (параметр Беккера) ν = Р/V  кВт ∙ ч/м3;
• плотность мощности W = P/S, кВт/дм2. 
Показатели, характеризующие σ, ν и W, зависят от вложенной 
в разряд мощности Р; как следует из эмпирического уравнения 
Мэнли,

Р = 4wCдUгор [Uвн – Uгор (1 + Cг/Cд)],               (1.2)
где w — частота тока; Uгор — напряжение горения разряда; Uвн — 
внешнее приложенное напряжение; Cг и Cд — емкости газового 
промежутка и диэлектриков соответственно.
Вложенная в заряд мощность Р зависит от Uвн, w, емкости диэлектрического барьера Cд (являющейся функцией диэлектрической проницаемости ε), толщины барьера δ и его площади S, 
а также от Uгор, которое, как и Cг, линейно связано с величиной 
разрядного промежутка ∆. 
При рабочем напряжении Uвн  выходные параметры ГО зависят 
от V, w и температуры охлаждающей жидкости. Значение Р при соответствующей частоте тока определяют экспериментально путем 
измерения площади осциллограммы заряд — напряжение (рис. 1. 3), 
используя выражение 

Р = wFch1ch2Kg С,        (1.3)

где w — частота тока, Гц; F — площадь параллелограмма Мэнли, 
см2; ch1 и ch2 — масштабы изображения по каналам осциллографа; Kg — коэффициент деления 
напряжения; С — емкость измерительного конденсатора, Ф.

Рис. 1.3. Осциллограмма параллелограмма Мэнли