一种利用液氧生成高浓度臭氧混合气体的臭氧分离系统及其方法与流程

1.本发明属于臭氧制备技术领域，更具体地说，涉及一种利用液氧生成高浓度臭氧混合气体的臭氧分离系统及其方法。


背景技术：

2.目前臭氧已被广泛应用于污水处理、饮用水处理消毒、食品加工杀菌净化、易腐食品贮藏防霉保鲜、医疗卫生、家庭消毒净化与化工等众多领域。制备臭氧中最主要是通过高压电晕放电制取臭氧，但是受技术条件所限，制取的臭氧浓度很低。以氧气为原料，臭氧的含量仅为10vol％左右，若以空气为原料气，则臭氧含量更低。为了保证臭氧的浓度和使用效率，目前工业应用中大部分还是以液氧升温减压后作为原料气生成臭氧。产物中只有10％的原料气氧气被利用生成臭氧，其余的氧气未进行回收利用即排掉了，造成了大量的氧气浪费，运行成本高。
3.随着臭氧高级氧化技术应用的逐年增加，臭氧高级氧化工艺及臭氧发生器的使用逐渐被市场和业主接受，而臭氧发生器制取出的臭氧浓度低，氧气利用率低的问题使得臭氧高级氧化技术的成本增加明显，应用范围受到限制。为了提高臭氧利用端的臭氧浓度，研究者们一直在通过寻找分离臭氧和氧气的方法来达到此目的。如果臭氧和氧气能够分离，则臭氧浓度可以提高，氧气可以回收，更加有利于臭氧高级氧化技术的推广和使用，既提高臭氧利用效率又可以节省氧气，降低运行费用。
4.经检索，中国发明专利cn103663384a公开了一种氧气和臭氧混合气体的分离方法及应用其的臭氧发生系统，该专利是利用热交换器和冷媒质将臭氧和氧气的混合气体的温度降低至臭氧的沸点温度和氧气的沸点温度之间，使臭氧转化为液态，而氧气仍然为气态，从而对氧气和臭氧的混合气体进行分离；本发明同时公开了利用该分离方法的臭氧发生系统，所述臭氧发生系统包含臭氧发生器、臭氧发生器的气源及臭氧发生器气源供应装置、冷媒质及冷媒质供应装置和热交换器等。该专利虽然能够将臭氧和氧气有效分离，但是该系统中仍然不可避免的使用了冷媒介质和冷媒质供应装置，而且在分离出液态臭氧后还通过汽化器将其气化，同时浪费了分离所需的冷源和气化所需的热源；另外需要说明的是，在本领域中由于制备出纯度较高的臭氧存在易爆的危险而往往无法直接使用，所以即使制备出纯净的臭氧后也需要添加如氧气、空气等被混合气体与臭氧混合使用，而在该专利中恰恰添加了额外的空气作为被混合气体使用，因此这也是一部分原料以及工序的浪费。
5.又如中国发明专利cn112408334a公开的一种提高臭氧产量的臭氧生产系统及其生产臭氧的方法，其具体公开了空气前处理装置、供氧装置和臭氧发生器；所述空气前处理装置依次设置空气压缩机、油水分离器、冷干机、吸干机、空气过滤器和减压阀；所述供氧装置包括液氧汽化器，气化后的氧气在减压阀之后并入输气管道，与空气混合后进入臭氧发生器；所述臭氧发生器包括若干个反应腔室、每个反应腔室内设置有高压电极板、低压电极板和冷却水管，氧气与空气的混合气体以并联方式通入每个反应腔室。该专利主要是对臭
氧发生器进行了改进，在原料充分反应和散热方面具有优势，从而提升臭氧的产量，但是该专利在使用了液氧的前提下直接采用液氧气化器将液氧气化，白白损失了液氧的冷量；另外，该专利将最终分离出的臭氧直接出气，并未对其后续操作做任何说明，因此可能还是需要添加额外的气体与之混合使用。
6.综上所述，虽然目前现有技术中臭氧发生器制备的臭氧浓度较低，但是臭氧和氧气的分离技术已经基本成熟；只是如何在使用液氧作为原料的情况下，有效地利用液氧的冷量将臭氧和氧气分离，以及利用其自身在气化过程中会产生的氧气，尽量减少能源损耗成为当下的难题。
7.因此目前亟需设计一种能够有效利用液氧生成高浓度臭氧混合气体的装置或方法，对氧气进行回收的同时提高臭氧的浓度，降低运行及投资成本，以满足人们的使用需求。


技术实现要素：

8.1.要解决的问题
9.针对现有技术中基于低温分离的臭氧分离装置或方法制备臭氧混合气体时需要额外冷媒介质和额外气体、且臭氧浓度低的问题，本发明提供一种利用液氧生成高浓度臭氧混合气体的臭氧分离系统及其方法；通过合理设置换热管、加热装置和臭氧发生器及其之间的连接关系，从而有效解决基于低温分离的臭氧分离装置或方法制备臭氧混合气体时需要额外冷媒介质和额外气体、且臭氧浓度低的问题。
10.2.技术方案
11.为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
12.本发明的一种利用液氧生成高浓度臭氧混合气体的臭氧分离系统，在氧气流动方向上依次包括第一换热管、加热装置、臭氧发生器、第二换热管、第三换热管、第四换热管和出气口；所述第三换热管可与第一换热管进行换热；所述第一换热管包括第一输入端和第一输出端，第一输入端可输入液氧，液氧经过换热可由第一输出端输出氧气；所述第三换热管包括氧气输出端和臭氧输出端，臭氧发生器生成的臭氧和氧气混合气体经过换热可分别由臭氧输出端和氧气输出端输出；所述第四换热管可与第二换热管进行换热；所述第四换热管包括第四输入端和第四输出端，所述第四输入端和第三换热管的氧气输出端相连，所述第四输出端和第三换热管的臭氧输出端均与出气口相连。
13.优选地，还包括第一换热器，所述第三换热管和第一换热管均设于第一换热器内；所述第三换热管还包括第三输入端。
14.优选地，还包括第二换热器，所述第四换热管和第二换热管均设于第二换热器内；所述第二换热管还包括第二输入端和第二输出端；所第二输出端和第三输入端相连。
15.优选地，所述加热装置包括加热装置输入端和加热装置输出端；所述加热装置输入端与第一输出端相连，所述加热装置输出端与臭氧发生器相连。
16.优选地，所述加热装置为氧气净化器；所述氧气净化器在氧气流动方向上依次包括换热管ⅰ、加热器和换热管ⅱ，所述换热管ⅰ可与换热管ⅱ进行换热。
17.优选地，所述臭氧发生器包括发生器输入端和发生器输出端；所述发生器输入端与加热装置输出端之间设有风机，所述风机包括风机输入端和风机输出端，风机输入端与
加热装置输出端相连，风机输出端与发生器输入端相连。
18.优选地，还包括尾气臭氧破坏器，所述尾气臭氧破坏器包括破坏器输入端和破坏器输出端；所述破坏器输入端与第四输出端相连，所述破坏器输出端与风机输入端相连。
19.优选地，还包括气体混合罐，所述气体混合罐包括混合罐输入端ⅰ和混合罐输入端ⅱ，所述出气口设于气体混合罐上；所述混合罐输入端ⅰ与第四输出端相连，所述混合罐输入端ⅱ与臭氧输出端相连。
20.优选地，所述混合罐输入端ⅰ与第四输出端之间相连的管路上设有第一调节阀，所述混合罐输入端ⅱ与臭氧输出端之间相连的管路上设有第二调节阀。
21.优选地，还包括液氧罐，所述液氧罐上设有液氧输出端；所述液氧输出端与第一输入端相连。
22.本发明的一种利用液氧生成高浓度臭氧混合气体的臭氧分离方法，基于本发明中所述的一种利用液氧生成高浓度臭氧混合气体的臭氧分离系统；将液氧经过所述臭氧分离系统处理后生成含有臭氧和氧气的混合气体。
23.优选地，具体操作步骤为：
24.(1)通过第一输入端将液氧输入第一换热管中与第三换热管进行换热产生氧气；
25.(2)将步骤(1)产生的氧气加热至
‑
10℃～20℃后通入臭氧发生器生成臭氧和氧气的混合气体a；
26.(3)将混合气体a通入第二换热管中与第四换热管进行换热，接着通入第三换热管中与第一换热管进行换热产生氧气和液态臭氧n；
27.(4)将步骤中产生的氧气通入第四换热管中与第二换热管进行换热，输出得到氧气m；
28.(5)将氧气m与液态臭氧n混合后由出气口输出得到臭氧和氧气的混合气体b。
29.优选地，将第四换热管的第四输出端与臭氧发生器的发生器输入端通过管路相连，并在该管路上设置尾气臭氧破坏器，将由第四输出端输出的氧气m经过尾气臭氧破坏器处理后输入臭氧发生器中。
30.优选地，第一管路通过的是液氧，其温度约为
‑
180℃、压强为0.8mpa、流量为3.5kg/h；第一换热器的换热功率为0.24kw；第二管路通过的是氧气，其温度为
‑
120℃、压强为0.14mpa、流量为3.5kg/h；第三管路通过的是氧气，其温度为
‑
10℃、压强为0.14mpa、流量为3.5kg/h，该氧气经过第四管路上0.25kw的风机增压后的升压约0.2mpa、流量为5m3/h；第五管路通过的是臭氧和氧气的混合气体a，混合气体a的温度为20℃，压强为0.2mpa，其中氧气的流量为9kg/h，臭氧的流量为1kg/h；第二换热器的换热功率为0.4kw；第六管路通过的是臭氧和氧气的气液混合物，其温度为
‑
110℃、压强为0.2mpa、流量为10kg/h；第七管路通过的是氧气，其温度为
‑
170℃、压强为0.2mpa、流量为9kg/h；第八管路通过的是液态臭氧，其温度为
‑
170℃、压强为0.2mpa、流量为1kg/h；第九管路通过的是氧气，其温度为0℃、压强为0.2mpa、流量为9kg/h；第十管路通过的是温度为0℃、压强为0.14mpa、流量为2.5kg/h的氧气；第十一管路通过的是温度为0℃、压强为0.14mpa、流量为6.5kg/h的氧气。
31.3.有益效果
32.相比于现有技术，本发明的有益效果为：
33.(1)本发明的一种利用液氧生成高浓度臭氧混合气体的臭氧分离系统，在氧气流
动方向上依次包括第一换热管、加热装置、臭氧发生器、第二换热管、第三换热管、第四换热管和出气口；所述第三换热管可与第一换热管进行换热；所述第一换热管包括第一输入端和第一输出端，第一输入端可输入液氧，液氧经过换热可由第一输出端输出氧气；所述第三换热管包括氧气输出端和臭氧输出端，臭氧发生器生成的臭氧和氧气混合气体经过换热可分别由臭氧输出端和氧气输出端输出；所述第四换热管可与第二换热管进行换热；所述第四换热管包括第四输入端和第四输出端，所述第四输入端和第三换热管的氧气输出端相连，所述第四输出端和第三换热管的臭氧输出端均与出气口相连；通过上述设置，首先将第三换热管与第一换热管进行换热，能够利用液氧自身的冷量将臭氧发生器生成的臭氧氧气混合气体a分离，节省了额外的冷媒介质，其次加热装置给整个系统提供了换热管之间换热的热量，这一方面为臭氧发生器生成的臭氧氧气混合气体提供了降温分离的基础，另一方面在第四换热管与第二换热管的换热作用下获得了温度较高的输出氧气，此时将该输出氧气与分离出的液态臭氧混合得到混合气体b，既不需要添加额外的被混合气体，也不需要再对液态臭氧进一步地气化才能使用，从而有效地节省了能源；总之，在本发明的臭氧分离系统处理作用下，液氧还能够充当冷媒介质和被混合气体源的作用，其冷量和产生的氧气能被有效利用，从而产生高臭氧浓度的臭氧氧气混合气体以供使用人员直接使用。
34.(2)本发明的一种利用液氧生成高浓度臭氧混合气体的臭氧分离系统，对于现有臭氧高级氧化项目，无需拆除原有装置，只需新增部分换热管路及其之间的连接管路，即可有效利用液氧的冷量和其产生的氧气，从而降低运行成本。
35.(3)本发明的一种利用液氧生成高浓度臭氧混合气体的臭氧分离方法，基于本发明中所述的一种利用液氧生成高浓度臭氧混合气体的臭氧分离系统；将液氧经过所述臭氧分离系统处理后生成含有臭氧和氧气的混合气体；通过上述方法，液氧既能够作为生成臭氧的反应物，还能够充当冷媒介质和被混合气体源进行利用，在此基础之上，最终制备得到的臭氧氧气混合气体用于后端污水处理时臭氧占比可在0wt％～28.57wt％范围内调控，这不但能够使得臭氧氧气混合气体中臭氧浓度可在大范围内进行调控，以供不同场合、不同人员的使用需求，而且其中臭氧浓度最高可达28.57wt％，这要远高于生成臭氧浓度约10wt％的常规臭氧发生器，解决了常规臭氧发生器生成臭氧浓度低的问题。
附图说明
36.图1为本发明的一种利用液氧生成高浓度臭氧混合气体的臭氧分离系统示意图ⅰ；
37.图2为本发明的一种利用液氧生成高浓度臭氧混合气体的臭氧分离系统示意图ⅱ。
38.图中：
39.100、液氧罐；101、液氧输出端；
40.200、第一换热器；210、第一换热管；211、第一输入端；212、第一输出端；220、第三换热管；221、第三输入端；222、臭氧输出端；223、氧气输出端；280、第二调节阀；
41.300、加热装置；310、换热管ⅰ；311、加热装置输入端；320、加热器；330、换热管ⅱ；331、加热装置输出端；
42.400、风机；401、风机输入端；402、风机输出端；
43.500、臭氧发生器；501、发生器输入端；502、发生器输出端；
44.600、第二换热器；610、第二换热管；611、第二输出端；612、第二输入端；620、第四换热管；621、第四输入端；622、第四输出端；
45.700、尾气臭氧破坏器；701、破坏器输入端；702、破坏器输出端；780、第一调节阀；
46.800、气体混合罐；801、混合罐输入端ⅰ；802、混合罐输入端ⅱ；803、出气口；
47.901、第一管路；902、第二管路；903、第三管路；904、第四管路；905、第五管路；906、第六管路；907、第七管路；908、第八管路；909、第九管路；910、第十管路；911、第十一管路。
具体实施方式
48.下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本发明的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义，并不旨在限制本发明或本技术和本发明的应用领域。
49.本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得以涵盖的范围内。同时除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
50.下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
51.实施例1
52.本实施例提供一种利用液氧生成高浓度臭氧混合气体的臭氧分离系统，其在氧气流动方向上依次包括液氧罐100、第一换热管210、加热装置300、臭氧发生器500、第二换热管610、第三换热管220、第四换热管620和出气口803；所述液氧罐100上设有液氧输出端101，所述液氧输出端101与第一输入端211相连；所述第三换热管220可与第一换热管210进行换热；所述第一换热管210包括第一输入端211和第一输出端212，第一输入端211可输入液氧，液氧经过换热可由第一输出端212输出氧气；所述第三换热管220包括氧气输出端223和臭氧输出端222，臭氧发生器500生成的臭氧和氧气混合气体经过换热可分别由臭氧输出端222和氧气输出端223输出；所述第四换热管620可与第二换热管610进行换热；所述第四换热管620包括第四输入端621和第四输出端622，所述第四输入端621和第三换热管220的氧气输出端223相连，所述第四输出端622和第三换热管220的臭氧输出端222均与出气口803相连。
53.在本实施例中，还包括第一换热器200和第二换热器600；所述第三换热管220和第一换热管210均设于第一换热器200内；所述第三换热管220还包括第三输入端221；所述第四换热管620和第二换热管610均设于第二换热器600内；所述第二换热管610还包括第二输入端612和第二输出端611；所第二输出端611和第三输入端221相连；因此，本实施例在只需
要第一换热器200内设置两根互相换热的第三换热管220和第一换热管210，并在第一换热器200上开设两个输入端和三个输出端即可完成臭氧的换热分离操作，同时有效提升换热管之间的换热效率，避免能量散失；而第二换热器600原理相同，在第二换热器600内设置两根互相换热的第四换热管620和第二换热管610，并在第二换热器600上开设两个输入端和两个输出端即可完成换热操作。
54.另外，所述加热装置300为氧气净化器，所述氧气净化器在氧气流动方向上依次包括换热管ⅰ310、加热器320和换热管ⅱ330，所述换热管ⅰ310可与换热管ⅱ330进行换热；所述换热管ⅰ310上设有加热装置输入端311，所述换热管ⅱ330上设有加热装置输出端331；所述加热装置输入端311与第一输出端212相连，所述加热装置输出端331与臭氧发生器500相连；因此，温度约
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120℃氧气经过氧气净化器处理时，可以将其先提高温度至700℃左右去除可燃性杂质，之后再通过换热管ⅰ310和换热管ⅱ330之间的热交换将其温度降低至0℃左右，在将氧气适度升温的同时去除了可燃性杂质。所述臭氧发生器500包括发生器输入端501和发生器输出端502；所述发生器输入端501与加热装置输出端331之间设有风机400，所述风机400包括风机输入端401和风机输出端402，风机输入端401与加热装置输出端331相连，风机输出端402与发生器输入端501相连；还包括尾气臭氧破坏器700，所述尾气臭氧破坏器700包括破坏器输入端701和破坏器输出端702；所述破坏器输入端701与第四输出端622相连，所述破坏器输出端702与风机输入端401相连；因此，不但有上述经过氧气净化器处理得到的0℃左右的氧气进入臭氧发生器500发生反应，还能够将由第四输出端622输出的氧气输入臭氧发生器500发生反应，从而进一步地利用由液氧罐100中液氧气化出的氧气。
55.本实施例中的臭氧分离系统还包括气体混合罐800，所述气体混合罐800包括混合罐输入端ⅰ801和混合罐输入端ⅱ802，所述出气口803设于气体混合罐800上；所述混合罐输入端ⅰ801与第四输出端622相连，所述混合罐输入端ⅱ802与臭氧输出端222相连；所述混合罐输入端ⅰ801与第四输出端622之间相连的管路上设有第一调节阀780，所述混合罐输入端ⅱ802与臭氧输出端222之间相连的管路上设有第二调节阀280；液态臭氧和氧气通过气体混合罐800混合，两者能够充分进行热交换，从而将液态臭氧气化，另外在第一调节阀780和第二调节阀280的调节作用下能够获得所需比例的臭氧氧气混合气体，以供使用人员直接使用。
56.本实施例还提供一种利用液氧生成高浓度臭氧混合气体的臭氧发生方法，该方法基于本实施例中所述的一种利用液氧生成高浓度臭氧混合气体的臭氧分离系统；将液氧经过所述臭氧分离系统处理后生成含有臭氧和氧气的混合气体，具体操作步骤为：
57.(1)将液氧罐100中温度为
‑
180℃、压强为0.8mpa、流量为3.5kg/h的液氧通过第一管路901输入换热功率为0.24kw的第一换热器200中，液氧在第一换热器200的第一换热管210中与第三换热管220进行换热产生温度为
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120℃、压强为0.14mpa、流量为3.5kg/h的氧气；
58.(2)将(1)步骤产生的氧气经过氧气净化器加热至
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10℃后以压强为0.14mpa、流量为3.5kg/h通入风机400增压，经风机400增压后氧气的压强为0.2mpa、流量为5m3/h，此时通入臭氧发生器500中反应生成臭氧和氧气的混合气体a，混合气体a中氧气的温度为20℃、压强为0.2mpa、流量为9kg/h，臭氧的温度为20℃、压强为0.2mpa、流量为1kg/h；