РЕАКТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ФУЛЛЕРЕНСОДЕРЖАЩЕЙ САЖИ

Полезная модель относится к средствам производства фуллеренсодержащей сажи путем термомодификации углеродсодержащих материалов.
Значительная часть устройств, используемых для получения фуллеренсодержащей сажи, основана на применении электродугового метода испарения графита в буферном инертном газе, например, в гелии. Испаряющиеся молекулы углерода диффундируют в гелий, охлаждаются и в виде сажи оседают на холодных стенках реактора. [Kraitschmer W., Lamb L.D., Fostiropoulos К., Huffman D.R. // Ibid. 1990. Vol.347. P.354;
Известно устройство для получения фуллеренсодержащей сажи [Международная заявка WO 02/096800, дата международной публикации - 5.03.2002], включающее реактор в виде герметичной цилиндрической камеры с размещенными по оси камеры в охлаждаемых токовводах графитовыми стержневыми электродами, один из которых - катод, закреплен неподвижно, а второй - анод, с возможностью осевого поступательного перемещения. Устройство содержит систему циркуляции инертного газа с кольцевым щелевым соплом, размещенным со стороны анода тангенциально электродам, а также средство для улавливания фуллеренсодержащей сажи, снабженное электрофильтром.
Наиболее близкой по совокупности признаков к заявляемой полезной модели (прототипом) является реактор, входящий в состав установки для получения фуллеренсодержащей сажи [Международная заявка WO 2005/087662, дата международной публикации - 22.09.2005 г]. Реактор имеет герметичную цилиндрическую камеру с размещенными по ее оси двумя графитовыми стержневыми электродами - анодом и катодом, закрепленными в охлаждаемых токоподводах. Анод снабжен средством осевого перемещения, обеспечивающим возможность регулирования скорости его подачи и сохранения постоянства зазора между электродами при их электродуговой эрозии. Катод снабжен средством реверсивного вращения относительно оси. Устройство для подачи инертного газа расположено в приторцевой зоне камеры со стороны катода и выполнено в виде тангенциального патрубка, закручивающего поток вдоль боковой стенки камеры. В
нижней части камеры имеется патрубок для отвода газов и средство (щель) для отвода шлаков в специальную емкостью для сбора шлаков, сообщающееся с нижней частью камеры.
Обладая определенными техническими преимуществами перед аналогами (более высокая производительность самой сажи и более высокое процентное содержание фуллеренов в саже), устройство-прототип имеет и существенный недостаток, обусловленный процессом массопереноса ионов углерода и частей молекул графита из зоны горения дуги на катод, следствием чего является активное образовании катодного депозита.
Несмотря на значительное подавление массопереноса ионов углерода и частей молекул графита на катод путем стабилизации горения дуги и путем воздействия специально генерируемых импульсных электромагнитных полей, объем депозита достигает 20% от объема испарившегося в дуге графита и, для обеспечения продолжительного и непрерывного производственного цикла, требуется периодически изменять полярность электрического напряжения для устранения депозита. Но изменение полярности напряжения практически не приводит к сжиганию депозита, а приводит лишь к его разрушению, и к значительному ускорению разрушения собственно катода (откалывание частей), которое приводит к сокращению продолжительности непрерывной работы реактора, потере графита и, следовательно, снижению производительности целевого продукта.
Технический результат, достигаемый полезной моделью - увеличение производительности устройства, продолжительности непрерывного производственного цикла от запуска реактора до очистки реакционной камеры и трубопроводов за счет уменьшения нарастания депозита на катоде.
Поставленная задача решается тем, что заявляемый реактор для получения фуллеренсодержащей сажи имеет в своем составе герметичную цилиндрическую камеру, внутри которой закреплен графитовый стержневой катод и графитовый стержневой анод, снабженный средством осевого перемещения. Камера также снабжена средствами подачи и отвода инертного газа и средством отвода шлаков, расположенным в нижней части камеры. От прототипа реактор отличается тем, что дополнительно содержит второй анод, установленный соосно упомянутому аноду. Дополнительный анод также снабжен средством осевого перемещения. Катод
расположен перпендикулярно общей оси анодов и направлен в зазор между анодами, средство подачи инертного газа выполнено в виде двух патрубков, каждый из которых расположен в приторцевой зоне камеры и установлен тангенциально боковой стенке камеры.
Дополнительно в приторцевых зонах камеры могут быть установлены направляющие потока инертного газа, каждая из которых имеет коническую поверхность, коаксиальную одному из анодов и сужающуюся в сторону межэлектродного промежутка.
Реактор может быть снабжен единым средством для отвода газов, шлаков и сажи, представляющим собой продольную щель в нижней части боковой стенки корпуса.
Целесообразно катод разместить внутри трубы, подсоединяемой к магистрали подачи охлаждающего инертного газа.
Заявляемый реактор для производства фуллеренсодержащей сажи раскрывается в приведенном ниже примере и иллюстрируется Фигурами чертежей, на которых представлено: Фиг.1 - осевое сечение реактора, Фиг.2 - поперечное сечение А-А реактора.
Реактор имеет герметичную камеру с боковой цилиндрической поверхностью 1 двумя торцевыми стеками 2. Внутри камеры расположены графитовые расходуемые стержневые электроды: два анода 3 и катод 4. Оба анода 3 расположены по оси камеры, а катод 4 перпендикулярно им и направлен в зазор между ними. Аноды 3 снабжены средствами 5 осевого поступательного перемещения, обеспечивающими сохранение постоянства зазора между торцевой частью катода 4 и торцами анодов 3. Камера реактора включена в единую систему циркуляции инертного газа подаваемого через два патрубка 6, каждый из которых приварен к цилиндрической поверхности 1 камеры вблизи торцевых стенок 2 (в приторцевых зонах камеры) и ориентирован тангенциально к боковой стенке камеры. Для отвода газа, шлаков и сажи предназначена продольная щель 7 прямоугольной формы, через которую камера сообщается с мусоросборником (на Фигурах не показан).
В приторцевых зонах камеры имеются направляющие 8 потока инертного газа. Каждая из направляющих 8 имеет коническую поверхность, большее основание которой расположено со стороны торцевых стенок 2. Конические поверхности
сужаются в сторону межэлектродного промежутка. Каждая из направляющих коаксиально охватывает один из анодов.
Реактор снабжен дополнительной системой обдува катода 4 инертным газом включающей патрубок 9, обеспечивающий закручивание газового потока коаксиально оси катода направляющую трубку 10, выполненную из электроизоляционного термостойкого материала (кварц, керамика) и обеспечивающую подачу инертного газа вдоль катода.
Реактор для получения фуллеренсодержащей сажи работает следующим образом.
Из реакционного объема откачивают воздух, напускают инертный газ, например, гелий до давления 0,1-0,4 атм. Затем зажигают дугу, сближая один из анодов 3 с катодом 4. Параметры дуги варьируют в пределах: напряжение 40-60 В, сила тока 250-400А. Далее включают привод 7, обеспечивающий осевое перемещение анода и постоянство длины дуги. Процедура повторяется со вторым анодом. Стабилизация режима испарения графита наступает примерно через час после начала работы реактора.
Закручивающийся поток инертного газа, сформированный тангенциально присоединенными к камере патрубками 6, направляется с помощью конусов 8 на аноды 3, и через прорезь 7 уносит образовавшуюся фуллеренсодержащую сажу в мусоросборник и далее в фильтры основной очистки и электростатический фильтр тонкой очистки.
Основной массоперенос углерода, испарившегося с анодов 3, происходит в радиальном направлении. Направляющие поток газа конические поверхности выполняют две функции: ограничивают рабочий объем камеры и снижают турбулентность газового потока.
Отклонение ионов углерода в сторону катода 4 приводит к образованию на нем депозита. Для снижения скорости образования депозита в установке использован дополнительный обдув поверхности катода. Направленный обдув катода ограничивает скорость нарастания депозита и увеличивает продолжительность непрерывного горения до смены полярности для дожигания депозита не менее чем в четыре раза.
При одновременном испарении двух анодов происходит взаимное торможение встречных потоков испарившегося графита, что, совместно с обдувом катода,
практически полностью исключает образование депозита и, следовательно, необходимость периодического переключения полярности напряжения, приводящего к разрушению катода.
Кроме того, одновременное испарение анодов повышает давление в зоне горения дуги. При этом повышение давления в зоне горения дуги приводит к увеличению содержания фуллеренов в саже не менее, чем на 5% в сравнении с прототипом.
Таким образом, конструктивные признаки заявленного устройства позволяют резко ограничить образование депозита, что не менее чем на 15% снижает расход графита на производство единицы объема целевого продукта (фуллеренсодержащей сажи), практически вдвое увеличить производительность установки по саже за счет одновременного испарения двух анодов, увеличить непрерывность производственного цикла не менее чем в пять раз по отношению к прототипу.