РЕАКТОР СИНТЕЗА УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК

Полезная модель относится к оборудованию для получения волокнистых углеродных материалов методом пиролиза ароматических и неароматических углеводородов.
Технология получения волокнистых углеродных материалов заключается в проведении пиролиза углеводородных газов, либо углеродосодержащих материалов в присутствии катализаторов, преимущественно на основе дисперсного никеля, либо сплавов на его основе, а также других активных металлов с последующим охлаждением продуктов пиролиза.
Наиболее известными являются устройства, позволяющие обрабатывать исходные газообразные углеводородные продукты. В патенте США №5165909, МПК D01F 9/10, 1992 г. предпочтение отдано таким газам, как ацетилен (температура карбонизации 500°С) и метан (температура карбонизации ниже 1000°С). Согласно патенту пиролиз проводится в вертикальной печи, в верхней части которой расположены патрубок подачи углеводородного газа, ленточные нагреватели и бункер с катализатором. В нижней части бункера с катализатором установлен питательный клапан, который подает в реакционную зону печи катализатор в виде порошкообразного никеля с добавлением алюминия. В нижней части расположен второй патрубок подачи углеводородного газа. Расстояние между питающим клапаном и вторым патрубком подачи углеводородного газа является реакционной зоной, ниже которой расположено основание печи, снабженное фильтром, являющимся сборником готового продукта перед его выгрузкой.
Однако в такой печи полученные продукты пиролиза подвергаются длительному нагреву циркулирующим горячим газом, содержащим смесь углеводородного газа, продуктов пиролиза и катализатора, что может привести к термическому разложению готового продукта. Другим недостатком известного устройства является невозможность равномерного распределения порошкообразного катализатора равномерно по всему живому сечению печи. Это приводит к снижению эффективности пиролиза из-за неравномерности распределения катализатора (смесь никеля с 10% алюминия).
Известен также реактор для получения волокнистых углеродных структур каталитическим пиролизом (Патент РФ №2310023, МПК D01F 9/10, 2007 г.), содержащий корпус, выполненный из двух соединенных замками частей, причем верхняя часть корпуса соединена с трубопроводами подачи углеводородного газа и отбора газообразных продуктов пиролиза, а в нижней части установлены нагреватели, и соединенный с приводом вращения диск. В этом реакторе в верхней части также расположен узел подачи катализатора, а в нижней - сборник готового продукта и трубопровод подачи углеродсодержащего газа, причем реактор снабжен соединенной с узлом подачи катализатора камерой - осадителем, установленной над соединенным с приводом вращения и взаимодействующим с неподвижным скребком диском, под которым установлена емкость готового продукта, и нагревателями, расположенными над и под вращающимся диском, а в верхней части корпуса и камеры - осадителя расположены патрубки отбора продуктов пиролиза. Узел подачи катализатора выполнен в виде дозатора, соединенного через распылитель с линией подачи газа, снабженной нагревателем. Сборник готового продукта соединен с линией подачи инертного газа. Вращающийся диск снабжен установленными на его нижней поверхности лопастями. Камера - осадитель выполнена в виде перевернутого стакана с сечением в форме сектора. Емкость готового продукта закреплена на соединенной с корпусом цилиндрической обечайке.
Недостатками такого реактора является сложность конструкции и невозможность нанесения на поверхность диска равномерного по толщине слоя катализатора, обеспечивающего получение нанотрубок с минимальным разбросом размеров нанотрубок по наружному диаметру, обладающих более высоким качеством и однообразием свойств. В процессе синтеза нанотрубок чрезмерно велик межцикловой период в режиме периодического процесса, что ведет к неконтролируемому росту числа слоев, приводящему к ухудшению свойств синтезируемых нанотрубок и уменьшению производительности. Другим недостатком является повышенная материалоемкость оборудования, приводящая к увеличению материальных и эксплуатационных затрат.
Указанные недостатки обусловлены конструктивными признаками известного технического решения.
4
Известен также непрерывно действующий лабораторный реактор горизонтального типа с виброожиженным или перемешиваемым слоем и противотоком газовой и твердой фаз, разработанный в РХТУ им. Д.И.Менделеева. При диаметре трубы 60 мм и ее длине 1000 мм производительность виброреактора в процессе каталитического пиролиза СН достигала 12-15 г/ч по углеродным нановолокнам и до 7 г/ч по многослойным углеродным нанотрубкам (МУНТ).
2
2
Разработана и испытана близкая по устройству и принципу действия пилотная установка с перемешиваемым слоем в трубчатом вращающемся реакторе (Форро, 2003). При диаметре кварцевой трубы 80 мм и ее длине 750 мм производительность установки по пиролизу CH составила 100 г МУНТ в сутки ((Книга Э.Г.Раков, Нанотрубки и фуллерены. ISBN:5-98699-009-9 Серия Новая университетская библиотека. Издательство: Логос-М. Год издания 2006. Стр.283, рис.118). Конструкция реактора синтеза углеродных нанотрубок, содержит соединенный с виброприводом и заключенный в электрическую печь корпус, выполненный в виде трубы, один из концов которой соединен с патрубком для подачи углеродсодержащего газа и патрубком для вывода продукта, а противоположный конец - с патрубком для подачи катализатора и патрубком для вывода реакционных газов.
Недостатком такого устройства является низкий выход готового продукта и малая производительность.
По совокупности общих признаков в качестве прототипа выбран реактор, разработанный в РХТУ им. Д.И.Менделеева.
Технический результат полезной модели заключается в повышении качества продукта и повышении эффективности за счет увеличения производительности, снижения материальных и эксплуатационных затрат.
Технический результат достигается тем, что в реакторе синтеза углеродных нанотрубок, содержащем соединенный с виброприводом корпус в виде трубы, концы которой соединены с патрубком подачи углеродсодержащего газа, с патрубком вывода продукта, с патрубком подачи катализатора и патрубком вывода реакционных газов, корпус выполнен в виде установленного на опоре змеевика, средняя часть которого снабжена контактными элементами, соединенным с источником электропитания, а концы - контактными элементами, соединенными с заземлением.
Змеевик заключен между опорной и прижимной пластинами, соединенными между собой стяжными шпильками, на которых установлены изоляторы.
Изоляторы заключены в металлические обечайки.
Корпус снабжен сильфонными компенсаторами.
Опора выполнена в виде закрепленной в подшипнике оси.
Вибропривод выполнен в виде вибратора круговых колебаний.
Емкость вывода продукта выполнена в виде пылеуловителя циклонного типа с завихрителем потока.
Выполнение корпуса в виде установленного на опоре змеевика, средняя часть которого снабжена контактными элементами, соединенным с источником электропитания, а концы - контактными элементами, соединенными с заземлением, обеспечивает:
- Более полную отработку катализатора и углеродсодержащего газа за счет увеличения поверхности катализатора, контактирующего с углеродсодержащим газом в процессе синтеза, повышение качества продукта и повышение эффективности за счет увеличения производительности, снижения материальных и эксплуатационных затрат
- Повышение качества синтезируемого материала за счет непрерывности технологического процесса синтеза, сокращение продолжительности пребывания продукта в реакторе, обеспечения более равномерного температурного поля в реакторе. Все это обеспечивает повышение качества продукта и повышение эффективности за счет увеличения производительности, снижения материальных и эксплуатационных затрат.
- Резкое сокращение энергозатрат за счет подвода тепла непосредственно к корпусу реактора и синтезируемому продукту. Разогрев электрическим током непосредственно продукта и корпуса реактора обеспечивает снижение удельной энергоемкости реактора обеспечивает повышение эффективности за счет снижения эксплуатационных затрат.
- Уменьшение потребности в инертных газах, необходимых для обеспечения безопасности процесса и обеспечения сохранности синтезируемого продукта. Это обеспечивает снижение эксплуатационных затрат.
Заключение змеевика между опорной и прижимной пластинами, соединенными между собой стяжными шпильками, на которых установлены изоляторы, обеспечивает упрощение изготовления корпуса реактора и обеспечивает необходимую безопасность работы, исключая поражение обслуживающего персонала электрическим током.
Заключение изоляторов в металлические обечайки обеспечивает повышение надежности за счет исключения разрушения изоляции.
Снабжение корпуса сильфонными компенсаторами обеспечивает соединение совершающего колебательные перемещения корпуса с неподвижными системами подвода углеродсодержащего газа, отвода реакционного газа, дозатором катализатора и приемной емкостью вывода продукта. Это обеспечивает снижение эксплуатационных затрат за счет исключения разрушений подводящих трубопроводов.
Выполнение опоры в виде закрепленной в подшипнике оси и вибропривода в виде вибратора круговых колебаний, обеспечивает возвратно-поступательное перемещение катализатора и продукта в корпусе, за счет чего достигается увеличение продолжительности его пребывания в корпусе и более полная его отработка. Это обеспечивает.
повышение качества продукта и повышение эффективности за счет увеличение производительности.
Выполнение емкости вывода продукта в виде пылеуловителя циклонного типа с завихрителем потока обеспечивает предотвращение выноса вместе с реакционными газами продукта, а также охлаждение продукта до безопасной температуры. Это обеспечивает повышение качества продукта и снижение эксплуатационных затрат.
По имеющимся у заявителя сведениям, совокупность существенных признаков заявляемой полезной модели не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию "новизна".
Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность полезной модели, может быть многократно использована в производстве различных модификаций реакторов синтеза углеродных нанотрубок с получением технического результата, заключающегося в повышении качества продукта и повышении эффективности за счет увеличения производительности, снижения материальных и эксплуатационных затрат, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию "промышленная применимость".
На представленных чертежах изображены:
на фиг.1 - общий вид реактора синтеза углеродных нанотрубок в разрезе;
на фиг.2 - то же, сечение по А-А фиг.1;
на фиг.3 - емкость для вывода продукта, вид по стрелке Б фиг.1;
на фиг.4 - вид контактного устройства, выноска I, фиг.1;
на фиг.5 - то же, что на фиг.4, вид сверху;
на фиг.6 - конструкция контактного устройства, сечение по В-В, фиг.5;
на фиг.7 показана конструкция стяжной шпильки, вид по стрелке Г, фиг.4.
Перечень позиций, указанных на чертежах.
1. корпус;
2. вибратор круговых колебаний;
3. патрубок подачи углеродсодержащего газа;
4. патрубок подачи катализатора;
5. патрубок вывода продукта и реакционных газов;
6. контактные элементы подвода электропитания;
7. контактные элементы заземления;
8. узел упорного подшипника;
9. ось;
10. опорная пластина;
11. прижимная пластина;
12. стяжная шпилька;
13. изолятор;
14. металлическая обечайка;
15. сильфонный компенсатор;
16. емкость вывода продукта;
17. завихритель потока;
18. патрубок отвода реакционного газа
19. вал;
20. стойка;
21. опора;
22. теплоизоляционный кожух.
Реактор синтеза углеродных нанотрубок содержит корпус 1 в виде изготовленного из трубы с высоким омическим сопротивлением змеевика в виде спирали, соединенный с виброприводом 2 в виде вибратора круговых колебаний. Верхняя часть корпуса 1 соединена с патрубком 3 подачи углеродсодержащего газа и патрубком 4 подачи катализатора. Нижняя часть корпуса 1 соединена с патрубком 5 вывода продукта и реакционных газов. Средняя часть корпуса 1 снабжена контактными элементами 6 соединенным с источником электропитания (не показан), а концы корпуса 1 - контактными элементами 7, соединенными с заземлением. Корпус 1 установлен на опоре, которая выполнена в виде закрепленной в узле упорного подшипника 8 оси 9. Корпус 1 в виде змеевика заключен между опорной 10 и прижимной 11 пластинами, соединенными между собой стяжными шпильками 12, на которых установлены изоляторы 13, заключенные в металлические обечайки 14. Между корпусом 1 и присоединительными патрубками установлены сильфонные компенсаторы 15. Патрубок вывода продукта и реакционных газов 5 соединен с емкостью вывода продукта 16, выполненной в виде пылеуловителя циклонного типа с завихрителем потока 17. Емкость вывода продукта 16 снабжена патрубком отвода реакционного газа 18. Вибратор круговых колебаний 2 кинематически связан с опорной пластиной 10 через вал 19. В свою очередь опорная пластина 10 соединена с осью 9 через стойки 20 и опору 21. Корпус 1 заключен в теплоизоляционный кожух 22.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Перед началом работы полость реактора продувается аргоном или другим инертным газом для удаления из нее атмосферного воздуха, так как в смеси кислорода воздуха с метаном или другим углеводородным газом в полости реактора может образоваться взрывоопасная смесь, что недопустимо, исходя из правил техники безопасности. Для этого через патрубок подачи углеродсодержащего, сильфонный компенсатор 15 корпус 1, патрубок вывода продукта и реакционных газов 5, сильфонный компенсатор 15, емкость вывода продукта 16 и патрубок отвода реакционных газов 18 (см. фиг.1) подается инертный газ (аргон), который, имея большую плотность, вытесняет атмосферный воздух из полости реактора. После удаления воздуха из реактора включаются нагрев корпуса 1, для чего на один из контактных элементов 6 подается напряжение. Проходя по корпусу 1 от контактного элемента 6 до контактного элемента заземления 7, электрический ток разогревает корпус 1 до заданной температуры, которую можно регулировать путем периодического включения нагрева, либо плавно, путем изменения питающего напряжения. Через патрубок подачи углеводородного газа 3 в корпус 1, подается углеродсодержащий газ (метан). Одновременно через патрубок подачи катализатора 4 в корпус 1 подается пылевидный катализатор. и включается вибратор круговых колебаний 2, который через вал 19 передает колебания пакету, включающему корпус 1, заключенный между опорной пластиной 10 и прижимной пластиной 11 посредством стяжных шпилек 12. При этом осевая нагрузка передается через стойки 20 и опору 21 на ось 9 и узел упорного подшипника 8. Для предотвращения короткого замыкания шпильки 12 взаимодействуют с корпусом 1 через изоляторы 13, заключенные в металлические обечайки 14. Под действием вибратора круговых колебаний 2 корпус 1 совершает угловые колебания, которые заставляют частицы катализатора совершать возвратно поступательное перемещение сверху вниз. Частота колебаний зависит от конструктивных параметров корпуса 1, угла наклона винтовой линии спирали и диаметра трубы. Температура пиролиза зависит от вида углеродсодержащего газа и марки катализатора. В процессе каталитического пиролиза на поверхности частиц катализатора образуется продукт в виде углеродных нанотрубок, которые электропроводны. За счет электропроводности синтезируемого углеродного материала может увеличиться электропроводность нижней ветви спирали на участке между подключенным контактным элементом 6 и нижним контактным элементом заземления 7. Для выравнивания температуры в верхней и нижней части корпуса 1 производится переключение с одного контактного элемента 6 на соседний до тех пор, пока в корпусе 1 не будет создано равномерное температурное поле. Отводу тепла в окружающее пространство препятствует теплоизоляционный кожух 22. В качестве коммутирующего элемента могут использоваться широко применяемые для этой цели приборы, например, сильноточные переключатели либо командоаппараты (не показано). Не прореагировавший с катализатором газ вместе с газообразными продуктами пиролиза выходит из корпуса 1 через патрубок 5 вывода продукта и реакционных газов в емкость вывода продукта 16, в которой происходит за счет взаимодействия с завихрителем потока 17 отделение реакционных газов от продукта. Реакционные газы, содержащие непрореагировавший углеродсодержащий газ и водород выводятся через патрубок 18, а готовый продукт остается в емкости вывода продукта 16, в которой охлаждается до безопасной температуры.
Устройство просто в аппаратурном исполнении и эксплуатации и обеспечивает повышение производительности при получении углеродных многослойных нанотрубок.