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

摘要

本发明公开了一种氧气和臭氧混合气体分离方法，它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。本发明实现的分离方法简单，分离系统结构简单，氧气回收效率高，并能将回收的氧气直接输送给臭氧发生器使用，实现氧气的循环利用，极大降低臭氧发生器的耗氧量，从而极大地节约臭氧发生器的运行成本，有利于推广臭氧发生器的应用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧气和臭氧混合气体的分离的方法，特别是臭氧发生器输出的氧气和臭氧混合气体的分离方法及应用该分离方法的臭氧发生系统。

背景技术

臭氧是一种强氧化剂，具有脱色、氧化、杀菌和除臭的作用。目前已广泛应用在饮用水、污水、化工氧化、烟气净化、纸浆漂白、食品加工、医疗及家用等多个领域。现有的工业应用的臭氧通常由大型的臭氧发生器产生，大型的臭氧发生器运行时需要供给大量的氧气，由于目前臭氧发生器的转化效率一般在10%左右，也就是说输入到臭氧发生器内的纯净氧气中只有10%被转化成臭氧，因此现有的臭氧发生器输出的产物是臭氧和氧气的混合气体，并且氧气含量居多,大约占混合气体体积的90%。由于臭氧气体不易存储，目前臭氧气体一般是在现场制造现场使用，使用时将臭氧发生器输出的臭氧和氧气的混合气体通入被处理流体中，臭氧和被处理流体接触反应吸收后剩余的氧气直接排放，造成了很大的资源浪费，从而使臭氧发生器的运行费用高昂，进而限制了其进一步的推广应用。因此亟需一种能够对臭氧发生器输出的氧气和臭氧混合气体进行分离，并对混合气体中的氧气进行回收的方法和应用此方法的臭氧发生系统来实现氧气和臭氧混合气体的分离和氧气的回收利用，从而极大地降低运行成本，有利于其推广应用。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种氧气和臭氧混合气体分离方法，它是利用热交换器和冷媒质将臭氧和氧气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，分离出气态的氧气和液态的臭氧的方法，此方法中包含冷媒质和热交换器，所述热交换器包含至少两个输入端和三个输出端，具体步骤如下：

步骤1：将温度低于臭氧沸点温度的冷媒质自热交换器的第一输入端输入热交换器的热交换管中，待分离的氧气和臭氧的混合气体由热交换器的第二输入端输入热交换器中，使冷媒质和氧气和臭氧的混合气体在热交换器内进行热交换；

步骤2：监测压力表以及温度计指示的数值，调节输入热交换器中的混合气体的流量，并控制冷媒质和混合气体的热交换时间和/或控制冷媒质的流量，将热交换器内氧气和臭氧混合气体的温度降至介于臭氧的沸点温度和氧气的沸点温度之间，使臭氧气体转化为液态臭氧，氧气仍然为气态；

步骤3：将经过步骤2的热交换后的冷媒质由热交换器的一输出端输出；

步骤4：将经过步骤2的热交换后分离出的气态氧气自热交换器的第二输出端输出；

步骤5：将经过步骤2的热交换后分离出的液态臭氧由热交换器的第三输出端输出。

为了更好的技术效果，上述步骤1-5中所述的本发明目的一所述的氧气和臭氧混合气体的分离方法的技术特征还可以进一步优化为以下技术特点：

1. 在步骤5之后增加步骤6。所述步骤6为：增设一个第一汽化器，将分离出的液态臭氧输入第一汽化器中，利用第一汽化器将分离出液态的臭氧汽化成臭氧气体；所述第一汽化器的输入端和热交换器的第三输出端通过管道连接。

2. 在步骤4之后增加步骤7。所述步骤7为：增设一个臭氧破坏器，将分离出的氧气输入臭氧破坏器中，利用臭氧破坏器消除分离出的氧气中残余的臭氧；所述热交换器的第二输出端和臭氧破坏器的输入端通过管道连接。

3. 在步骤3之后增加步骤8。所述步骤8为：增设一个冷媒质回收装置对冷媒质进行回；所述热交换器的第一输出端和冷媒质回收装置通过管道连接。

4. 所述热交换器的外壁设有一个保温层。

5. 所述冷媒质可以为液态氧、液态氮或其他温度低于臭氧沸点温度的冷媒质。

6. 上述步骤6中所述的氧气和臭氧混合气体的分离方法的技术特征，还可以进一步具体为以下特征：

（1）在步骤6之后增加步骤10，所述步骤10为：增设一个臭氧存储装置和洁净空气源，将所述第一汽化器的输出端通过管道与臭氧储存装置的第一输入端连接，同时将洁净空气源通过管道与臭氧储存装置的第二输入端连接，通过控制加入的洁净空气的量，使洁净空气在臭氧储存装置内与臭氧混合形成设定浓度的臭氧和空气的混合气体；

（2）更进一步地，在上述（1）中控制加入的空气的量使臭氧存储装置的中输入的空气和臭氧的质量比例介于90：10～82：18之间以利于臭氧气体的稳定保存。

与现有技术相比，采用本发明目的一的氧气和臭氧混合气体的分离方法具有以下显著的优点：

1.  分离方法简单，氧气回收效率高，并能将回收的氧气直接输送给臭氧发生器使用，实现氧气的循环利用，极大降低臭氧发生器的耗氧量，从而极大地节约臭氧发生器的运行成本，有利于推广臭氧发生器的应用；

2.  分离系统结构简单，能够容易地实现氧气和臭氧的分离，制造成本低；

3.  能够使臭氧发生器输出的混合气体所带的热能应用到液态氧气的汽化过程中，实现系统中的能量的转化，达到节能减排效果，节约能源。

本发明的目的之二是提供一种应用发明目的一中所述的氧气和臭氧混合气体的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；所述臭氧发生器上设有臭氧发生器气源输入端和臭氧发生器混合气体输出端，所述臭氧发生器气源输入端和臭氧发生器气源供应装置管道连接；所述热交换器包含至少两个输入端和三个输出端以及连通热交换器的第一输入端和热交换的第一输出端的热交换管；所述冷媒质供应装置和热交换器的第一输入端通过管道相连，将冷媒质输入热交换器中；所述热交换器的第二输入端通过管道和臭氧发生器混合气体输出端连接，以将氧气和臭氧混合气体输入热交换器中；所述热交换器的第一输出端为冷媒质输出端，热交换器的第二输出端为分离出的氧气输出端，热交换器的第三输出端为分离出的液态臭氧输出端；所述热交换器的第二输出端的位置高于热交换器的第三输出端的位置。

本发明目的二实现的臭氧发生系统所述的技术特点可以为以下技术特征：

1. 所述冷媒质可以为液态氮气或者液态氧气或其他温度低于臭氧沸点温度的冷媒质。

2. 当冷媒质为液态氧气时，经热交换后作为冷媒质的液态氧气转化成气态氧气后由热交换器的第一输出端输出后也输入臭氧发生器气源输入端作为臭氧发生器的氧气源给臭氧发生器供氧。

本发明目的二的应用目的一的氧气和臭氧混合气体的分离方法的臭氧发生系统具有以下显著的优点：

1.  分离方法简单，氧气回收效率高，并能将回收的氧气直接输送给臭氧发生器使用，实现氧气的循环利用，极大降低臭氧发生器的耗氧量，从而极大地节约臭氧发生器的运行成本，有利于推广臭氧发生器的应用。

2.  分离系统结构简单，能够容易地实现氧气和臭氧的分离，制造成本低。

3.  当冷媒质为液态氧气时，能够使臭氧发生器输出的混合气体所带的热能应用到液态氧气的汽化过程中，实现系统中的能量的转化，达到节能减排效果，节约能源。

4.  当冷媒质为液态氧时，其汽化后可以作为臭氧发生器的气源，节约成本和设备投资。

本发明的目的之三是提供一种应用发明目的一中所述的氧气和臭氧混合气体的分离方法优选的臭氧发生系统。该系统与发明目的二实现的臭氧发生系统不同的是所述臭氧发生系统的冷媒质供应装置以及氧发生器的气源供应装置为同一个提供液态氧气的液态氧气供应装置；所述臭氧发生系统还包括一个第二汽化器，所述液态氧气供应装置的输出端与第二汽化器的输入端通过管道连接，第二汽化器的输出端通过管道与臭氧发生器气源输入端连接，这样一部分液态氧通过第二汽化器转化为气态氧后输入臭氧发生器气源输入端作为臭氧发生器的氧气源给臭氧发生器供氧；同时，将液态氧气供应装置与热交换器的第一输入端通过管道连接，使另一部分液态氧经管道从热交换器的第一输入端输入热交换器中作为冷媒质使用。  

为了更好的技术效果，本发明目的三所述臭氧发生系统的技术特征可以具体为以下技术特点：

1. 经热交换后作为冷媒质的液态氧转化成气态氧后由热交换器的第一输出端输出后也输入臭氧发生器气源输入端作为臭氧发生器的氧气源给臭氧发生器供氧。

2. 更进一步地，所述臭氧发生系统还设有一个氧气存储装置；将上述1中所述第二汽化器的输出端通过管道与氧气存储装置的第一输入端连接，经第二汽化器处理后的氧气通过管道输入氧气存储装置中；将所述热交换器的第一输出端与氧气存储装置的第二输入端管道连接，热交换管内汽化的氧气经管道输入氧气存储装置；所述氧气存储装置的第三输入端与热交换器的第二输出端管道连接，分离出的氧气从热交换器的第二输出端输出并输送至氧气存储装置中；所述氧气存储装置的输出端与臭氧发生器气源输入端通过管道连接。

为了更好的技术效果，本发明目的二和发明目的三所述臭氧发生系统的技术特征还可以共同具有以下技术特点：

1. 所述热交换器的外壁具有一个保温层。

2、所述热交换器上设置有压力表和温度仪。

3. 所述臭氧发生系统还包含一个用于汽化液态臭氧的第一汽化器，所述第一汽化器的输入端和热交换器的第三输出端通过管道连接，由第一汽化器把分离出的液态的臭氧汽化成臭氧气体由第一汽化器的输出端输出。

4、所述臭氧发生系统还包括一个臭氧破坏器，所述臭氧破坏器的输入端和热交换器的第二输出端通过管道连接，用于消除分离出的氧气中残留的臭氧；臭氧破坏器的输出端通过管道和氧气存储装置的第三输入端连接，用于实现氧气的回收利用。

5. 所述臭氧发生系统还包括一个臭氧存储装置以及洁净空气源，所述第一汽化器的输出端和臭氧存储装置的第一输入端通过管道连接，同时将洁净空气源和臭氧存储装置的第二输入端通过管道连接，通过控制加入的洁净空气的量，使其在臭氧存储装置内和臭氧混合形成设定浓度的臭氧。

6. 上述5中输入的空气和臭氧的质量比例优选为90：10～82：18之间。

本发明目的三的采用目的一所述的氧气和臭氧混合气体的分离方法的臭氧发生系统具有以下显著的优点：

1.液态氧同时作为气源和冷媒质使用，无需另外配置冷媒质，使系统结构简单，减小设备投资。

2. 可以充分利用液态氧的低温将臭氧发生器输出的较高温度的氧气和臭氧混合气体冷却以实现臭氧和氧气的分离，又能利用臭氧发生器输出的较高温度的氧气和臭氧混合气体的热能将液态氧气汽化，实现能量的有效利用，节能减排效果显著，节约设备运行成本，有利于其推广使用。

3. 分离方法简单，氧气回收效率高，并能将回收的氧气直接输送给臭氧发生器使用，实现氧气的循环利用，极大降低臭氧发生器的耗氧量，从而极大地节约臭氧发生器的运行成本，有利于推广臭氧发生器的应用。

4.分离系统结构简单，能够容易地实现氧气和臭氧的分离，制造成本低。

附图说明：

图1是用于实施本发明目的一的氧气和臭氧混合气体的分离方法的分离系统的结构示意图。

图2是本发明目的二的应用本发明目的一所述氧气和臭氧混合气体的分离方法的臭氧发生系统的第一实施例的结构示意图。

图3是本发明目的二的应用本发明目的一所述氧气和臭氧混合气体的分离方法的臭氧发生系统的第二实施例的结构示意图。

图中，1为臭氧发生器，101为臭氧发生器混合气体输出端，102为臭氧发生器气源输入端； 2为冷媒质供应装置；3为热交换器，301为热交换器的第一输入端，302为热交换器的第二输入端，303为热交换器的第一输出端；304为热交换器的第二输出端，305为热交换器的第三输出端，306为热交换管；307为压力表，308为温度仪，309为保温层；4为氧气存储装置，401为氧气存储装置的第一输入端，402为氧气存储装置的第二输入端，403为氧气存储装置的第三输入端，404为氧气存储装置的输出端；5为第一汽化器，501为第一汽化器的输入端，502为第一汽化器的输出端；6为臭氧破坏器，601为臭氧破坏器的输入端，602为臭氧破坏器的输出端；7为臭氧存储装置，701为臭氧存储装置的第一输入端，702为臭氧存储装置的第二输入端；8为冷媒质回收装置；9为第二汽化器，901为第二汽化器的输入端，902为第二汽化器的输出端；10为洁净空气源；11为液态氧气供应装置；12为臭氧发生器气源供应装置，121为臭氧发生器气源供应装置的输出端；

具体实施方式：

以下根据附图1说明本发明所述氧气和臭氧混合气体分离方法的实施例。

如图1所示实施目的一的氧气和臭氧混合气体的分离方法的系统，其包含冷媒质供应装置2，热交换器3、氧气存储装置4、第一汽化器5以及冷媒质回收装置8；其中所述热交换器3包含至少两个输入端和三个输出端，热交换器3上还设置有用于调节热交换器中的压力压力表307和用于控制液态氧与混合气体的接触时间的温度仪308。利用该系统进行氧气和臭氧混合气体分离的具体步骤如下：

步骤1：将所述冷媒质供应装置2内温度低于臭氧沸点的冷媒质自所述热交换器3的第一输入端301输入热交换器的热交换管306中，待分离的氧气和臭氧混合气体由热交换器的第二输入端302输入热交换器3中，使冷媒质与氧气和臭氧混合气体在热交换器内进行热交换；

步骤2：监测压力表307以及温度计308指示的数值，调节输入热交换器中的混合气体的流量，并控制冷媒质和混合气体的热交换时间和/或控制冷媒质的流量，将热交换器内氧气和臭氧混合气体的温度降至介于臭氧的沸点温度和氧气的沸点温度之间，使臭氧气体转化为液态臭氧，氧气仍然为气态；

步骤3：将经过步骤2热交换后的冷媒质由热交换器的第一输出端303输出；

步骤4：将经过步骤2的热交换后分离出的氧气自热交换器的第二输出端304输出；

步骤5：将经过步骤2的热交换后分离出的液态臭氧由热交换器的第三输出端305输出。                    

由于液态臭氧不易保存，需要将其汽化，因此，还需在步骤5之后增加步骤6，所述步骤6为：在系统中增设一个第一汽化器5，将分离出的液态臭氧输入第一汽化器中，利用第一汽化器5将分离出液态的臭氧汽化成臭氧气体；所述第一汽化器的输入端501和热交换器的第三输出端305连接。

为了回收到纯净的氧气，还可以在步骤4后增加步骤7，所述步骤7为：在系统中增设一个臭氧破坏器6，将分离出的氧气输入臭氧破坏器6中，利用臭氧破坏器6消除分离出的氧气中残余的臭氧；所述热交换器的第二输出端304和臭氧破坏器的输入端601通过管道连接。纯净的氧气自臭氧破坏器的输出端602回收。

在上述实施例中还设有一个氧气存储装置4，将臭氧破坏器的输出端602与氧气存储装置的第一输入端401通过管道连接用于储存回收的氧，达到氧气回收的目的。

为了回收冷媒质，在上述实施例中的步骤3之后增加步骤8，所述步骤8为：在系统中增设一个冷媒质回收装置8对冷媒质进行回收；所述热交换器的第一输出端303和冷媒质回收装置8连接。

上述实施例中的冷媒质可以为液态氮气、液态氧气或其他温度低于液态臭氧的冷媒质。    

 [0039] 上述实施例中，为了提高热交换的效率，减少热量的流失，所述热交换器的外壁具有一个保温层309；所述热交换器3上还设置用于压力表307和温度仪308以监视热交换器内的压力和温度。

以下结合附图2说明本发明所述臭氧发生系统的第一实施例。

如图2所示，一种臭氧发生系统，包含臭氧发生器1、臭氧发生器的气源、冷媒质供应装置2、热交换器3、第一汽化器5、冷媒质回收装置8，臭氧存储装置7以及洁净空气源10；其中臭氧发生器的气源为氧气，储存在臭氧发生器气源供应装置12中；所述热交换器包含两个输入端和三个输出端。

所述臭氧发生器混合气体输出端101通过管道与热交换器的第二输入端302连接，以将氧气和臭氧混合气体输入到热交换器3中；所述臭氧发生器气源供应装置的输出端121与臭氧发生器气源输入端102通过管道连接，将氧气输入臭氧发生器1中；所述冷媒质供应装置2通过管道与热交换器的第一输入端301连接，将冷媒质供应装置2内的冷媒质输入到热交换管306中；所述冷媒质回收装置8与热交换器的第一输出端303通过管道连接用于回收冷媒质；所述热交换器的第二输出端304与臭氧发生器气源输入端102通过管道连接，将经热交换后分离出的氧气回送至臭氧发生器气源输入端102，对从氧气和臭氧的混合气体中分离出的氧气进行回用。

也可以在系统中设置一个氧气储存装置用于储存分离出的氧气，而后由氧气储存装置将其回输至臭氧发生器气源输入端或做其他用途使用。

由于分离出的液态臭氧不易保存，需要将其汽化，因此在系统中增设一个第一汽化器5，将分离出的液态臭氧输入第一汽化器5中，所述第一汽化器的输入端501和热交换器的第三输出端305连接,由第一汽化器5把分离出的液态的臭氧汽化成臭氧气体。

为了使经第一汽化器5处理后的臭氧稳定保存而不发生爆炸等危险，在本实施例的系统中还增设一个臭氧存储装置7以及洁净空气源10。所述第一汽化器的输出端502通过管道和臭氧存储装置的第一输入端701连接，洁净空气源10通过管道和臭氧存储装置的第二输入端702连接，通过控制加入的洁净空气的量，使洁净空气在臭氧存储装置内和臭氧混合形成设定浓度的臭氧，实现臭氧的稳定储存；其中输入的空气和臭氧的质量比例介于90：10～82：18之间时最为稳定。

为了回收到纯净的氧气，本实施例所述臭氧系统中还可以增设一个臭氧破坏器，将经热交换器分离出的氧气输入臭氧破坏器中，利用臭氧破坏器消除分离出的氧气中残余的臭氧，纯净的氧气自臭氧破坏器的输出端回收或直接输送给臭氧发生器气源输入端给臭氧发生器供氧。

本实施例中，为了提高热交换的效率，减少热量的流失，所述热交换器的外壁具有一个保温层309。

所述热交换器3上设置用于压力表307和温度仪308以监视热交换器内的压力和温度。

以下结合附图3说明本发明所述臭氧发生系统的第二实施例。

如图3所示，一种臭氧发生系统，包含臭氧发生器1、臭氧发生器的氧气源、热交换器3、氧气存储装置4和第一汽化器5、第二汽化器9；其中臭氧发生器的气源为液态氧气，储存在液态氧气供应装置11中；所述热交换器3包含至少两个输入端和三个输出端。

所述臭氧发生器混合气体输出端101与热交换器的第二输入端302通过管道连接以将氧气和臭氧混合气体输入热交换器3中；液态氧气供应装置11通过管道与第二汽化器的输入端901连接，所述第二汽化器的输出端902与氧气存储装置的第一输入端401通过管道连接，即由第二汽化器9将一部分液态氧气转化为气态后输入氧气存储装置4中，所述氧气存储装置的输出端404与臭氧发生器气源输入端102通过管道相连，给臭氧发生器供氧；同时液态氧气供应装置11还通过管道与热交换器的第一输入端301相连，将一部分液态氧气输入热交换器的热交换管306中作为冷媒质使用；并利用混合气体中的热能将其汽化。所述热交换器的第一输出端303与氧气存储装置的第二输入端402通过管道连接，作为冷媒质使用的液氧在热交换管306内转化成气态后输出至氧气存储装置4中储存，再由氧气存储装置的输出端404输出至臭氧发生器1中给臭氧发生器1供氧；所述第一汽化器的输入端501通过管道和热交换器的第三输出端305连接，由第一汽化器5把分离出的液态的臭氧汽化成臭氧气体。

由于经热交换器分离出的氧气中可能还含有部分臭氧气体，所以所述的臭氧发生系统还包含一个臭氧破坏器6，所述臭氧破坏器的输入端601通过管道和热交换器的第二输出端304连接，臭氧破坏器的输出端602通过管道和氧气存储装置的第三输入端403连接，即利用臭氧破坏器6将可能残留在氧气中的臭氧消除，而后纯净的氧气再经由管道输送至氧气存储装置4中，由氧发生器的气源输入端102连接的氧气存储装置的输出端404给臭氧发生器供氧，因此可以达到混合气体中氧气回用的目的。

由于纯净的臭氧气体极不稳定，因此本实施例的臭氧发生系统还包含一个臭氧存储装置7以及洁净空气源10；所述第一汽化器的输出端502通过管道和臭氧存储装置的第一输入端701连接，同时将洁净空气源10通过管道和臭氧存储装置的第二输入端702连接，通过控制加入的洁净空气的量，使洁净空气在臭氧存储装置内和臭氧混合形成设定浓度的臭氧，实现臭氧的稳定储存；当输入的空气和臭氧的质量比例介于90：10～82：18之间时形成的混合气体最为稳定有利于保存。

所述热交换器3上设置用于压力表307和温度仪308以监视热交换器内的压力和温度；热交换器3的外壁具有一个保温层309，用以保持热交换器3内温度。

第三实施例中的氧气存储装置4既是分离后的氧气存储装置也是冷媒质的回收装置；储存在液态氧气供应装置11内的液氧既可经过汽化后为臭氧发生器供氧，同时也作为冷媒质输送到热交换管中将高温的氧气和臭氧混合气体冷却从而实现氧气和臭氧混合气体的分离，并利用混合气体中的热能将热交换管中的液氧汽化后回送给臭氧发生器为其供氧，大大节约了设备制造成本以及系统空间，还对能量进行充分利用大大减少能量损耗和设备运行费用，其中混合气体中氧气的回收利用，也使系统运费用大大降低。

本发明的工作原理是：相同的压力情况下冷媒质的温度低于臭氧的沸点温度同时高于氧气的沸点温度，因此在接触时间足够时其可以将混合气体中气态的臭氧冷却成液态的臭氧，而混合气体中气态的氧气则不会被液态氧气冷却为液态。调节输入热交换器中的混合气体的流量来调节热交换器中的压力使其保持在1个标准大气压左右，即压力表显示为1个大气压左右；并控制冷媒质和混合气体的热交换时间和/或控制冷媒质的流量，将热交换器内氧气和臭氧混合气体的温度降至介于臭氧的沸点温度和氧气的沸点温度之间，如 -130和-150之间，由于标准大气压下，臭氧的沸点温度是-111.9℃左右，因此，此时混合气体中的臭氧气体冷却成液态臭氧；而由于标准大气压下氧气转化成液态氧气的温度是-183℃左右，因此当混合气体冷却至-130℃和-150℃之间时，混合气体中的氧气仍然为气态，这时臭氧与氧气的相态不同，从而实现臭氧与氧气的彻底分离。分离出的氧气可回输给臭氧发生器，充分实现混合器中氧气的回收利用；同时，当冷媒质为液态氧气时，液态氧气在热交换管中被汽化为氧气可以给臭氧发生器供氧，实现对混合气体中的热量的充分利用。