УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ КИНЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЦЕССА СИНТЕЗА УГЛЕРОДНЫХ СТРУКТУР

Полезная модель относится к оборудованию для исследования процесса получения волокнистых углеродных материалов методом пиролиза ароматических и неароматических углеводородов и может быть использована для контроля и отработки процесса получения наноструктурированных углеродных материалов.
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 перспективным являются устройства, позволяющие обрабатывать исходные газообразные углеводородные продукты. В патенте США №5 165 909, МПК D01F 9/10, от 24 ноября 1992 года 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 контроля процесса синтеза. Это приводит к снижению эффективности пиролиза.
Указанные недостатки обусловлены конструктивными признаками известного технического решения.
Известен также реактор для исследования процесса получения волокнистых углеродных структур (патент РФ на полезную модель №67096, D01F 9/10, 2007), содержащий соединенный с трубопроводом подачи углеводородного газа реактор, в котором установлены нагреватели, в одном из которых установлена подложка с катализатором пиролиза. В этом устройстве корпус выполнен из оптически прозрачного материала и снабжен уплотнительным элементом, нагреватель выполнен в виде цилиндрической обечайки, в которой помещена кювета в виде колбы с крышкой, в которой установлен трубопровод подачи углеводородного газа, и между нагревателями и кюветой помещены датчики для измерения электропроводности. На противоположной уплотнительному элементу стенке реактора выполнены газоотводящие каналы. Нагреватель закреплен на керамическом фланце, снабженном каналом для пропуска трубопровода подачи углеводородного газа. Крышка кюветы снабжена газоотводящими каналами. Реактор снабжен оголовком со штуцерами подачи рабочих и вспомогательных газов. Датчики для измерения электропроводности соединены с преобразователем электрических сигналов.
Такое выполнение реактора не позволяет проводить непрерывное измерение изменения массы материала в процессе проведения каталитического пиролиза. Другим недостатком известного устройства является
невозможность непрерывного получения данных об изменениях кинетических свойств процесса пиролиза, обусловленных невозможностью непрерывного весового измерения массы синтезируемого углеродного материала.
По совокупности общих признаков в качестве прототипа выбрано устройство по патенту РФ на полезную модель №67096.
Технический результат, обеспечиваемый полезной моделью, состоит в обеспечении возможности контроля процесса получения углеродных материалов и отображения результатов в цифровой и графической форме.
Указанный результат достигается тем, что в устройстве для изучения кинетических свойств процесса получения углеродных структур, содержащем соединенный с трубопроводом подачи углеводородного газа реактор, в котором установлены нагреватели, в одном из которых установлена подложка с катализатором пиролиза, подложка помещена в индуктор и в обмотку обратной связи, причем индуктор соединен с генератором индукционного нагрева, а обмотка обратной связи соединена с ограничителем амплитуды сигнала, частотным фильтром, детектором, аналого-цифровым преобразователем и регистрирующим устройством на базе ЭВМ.
В таком устройстве изменение массы материала, а также определение реперных точек изменения структуры может определяться по изменению ее проводимости.
Масса углеродных структур может определяться по формуле:
m - масса материала;
χ- магнитная восприимчивость материала;
m
χ - массовая магнитная восприимчивость материала;
1
l - длина намотки индуктора;
ε(t)- значение ЭДС;
1
n - количество витков индуктора;
2
n - количество витков обмотки обратной связи;
0
μ - магнитная проницаемость вакуума;
- среднее значение силы тока в обмотке индуктора;
S - площадь сечения обмотки обратной связи;
а и b - градуировочные коэффициенты.
Между отличительными признаками и достигаемым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь.
Помещение подложки в индуктор и в обмотку обратной связи, причем индуктор соединен с генератором индукционного нагрева, а обмотка обратной связи соединена с ограничителем амплитуды сигнала, частотным фильтром, детектором, аналого - цифровым преобразователем и регистрирующим устройством на базе ЭВМ, обеспечивает нагрев катализатора до температуры пиролиза и получение информации об электрических параметрах синтезируемых нановолокон в реальном времени. Информация поступает в виде выходного сигнала с обмотки обратной связи в блок обработки сигнала и преобразовывается в цифровые и графические кривые, позволяющие судить о кинетике процесса изменения массы синтезируемых нановолокон. Это обеспечивает возможность контроля процесса получения углеродных материалов и отображение результатов в цифровой и графической форме.
Определение изменения массы материала, а также реперных точек изменения структуры по изменению проводимости материала обеспечивает преобразование электрических сигналов в результаты экспериментов в цифровой и графической форме.
Определение массы углеродных структур по формуле:
m - масса материала;
χ - магнитная восприимчивость материала;
m
χ - массовая магнитная восприимчивость материала;
1
l - длина намотки индуктора;
ε(t) - значение ЭДС;
1
n - количество витков индуктора;
2
n - количество витков обмотки обратной связи;
0
μ - магнитная проницаемость вакуума;
- среднее значение силы тока в обмотке индуктора;
S - площадь сечения обмотки обратной связи;
а и b -градуировочные коэффициенты, обеспечивает с достаточной точностью судить о кинетических характеристиках процесса при снятии перечисленных электрических характеристик выходного сигнала с учетом электротехнических свойств устройства.
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 при проведении изучения кинетических характеристик синтеза углеродных структур, с получением технического результата, заключающегося в обеспечении возможности контроля процесса получения углеродных материалов и отображения результатов в цифровой и графической форме, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию "промышленная применимость".
Сущность заявляемой полезной модели поясняется примером конкретного выполнения:
фиг.1 - показан общий вид устройства для изучения кинетических свойств процесса получения углеродных структур;
фиг.2 - показана принципиальная схема блока обработки электрического сигнала.
Перечень позиций:
1 - реактор;
2 - трубопровод подачи газа;
3, 4 - ротаметры;
5, 6 - регуляторы расхода газов;
7 - баллон с углеводородным газом;
8 - баллон с инертным газом (аргоном);
9 - нагреватель газа;
10 - подложка;
11 - индуктор;
12 - генератор индукционного нагрева;
13 - обмотка обратной связи;
14 - блок обработки электрического сигнала;
15 - патрубок сброса газообразных продуктов пиролиза;
16 - ограничитель амплитуды сигнала;
17 - частотный фильтр;
18 - детектор;
19 - аналого-цифровой преобразователь;
20 - регистрирующее устройство на базе ЭВМ.
Устройство для изучения кинетических свойств процесса получения углеродных структур состоит из корпуса 1, изготовленного из нержавеющей стали, соединенного трубопроводом 2 через ротаметры 3 и 4 и регуляторы расхода газов 5, 6 соответственно с баллоном с углеводородным газом 7 и баллоном с инертным газом (аргоном) 8. В реакторе 1 установлен нагреватель газа 9 и подложка 10, выполненная из диэлектрика с катализатором, нанесенным на его поверхность. Подложка
10 помещена в установленный в полости реактора 1 индуктор 11, электрически соединенный с генератором индукционного нагрева 12. Подложка 10 и индуктор 11 заключены в обмотку обратной связи, соединенную с блоком обработки электрического сигнала 14. Реактор 1 снабжен патрубком сброса газообразных продуктов пиролиза 15, расположенного вблизи места установки индуктора 11. Блок обработки электрического сигнала 14 содержит ограничитель амплитуды сигнала 16, частотный фильтр 17, детектор 18, аналого-цифровой преобразователь 19 и регистрирующее устройство на базе ЭВМ 20.
Устройство для изучения кинетических свойств процесса получения углеродных структур работает следующим образом...
1. Запускается реактор, для чего в реактор 1 по трубопроводу 2 подается исходная смесь (для этапа пуска/остановки используется аргон, поступающий из баллона 7 через регулятор расхода 5 и ротаметр 3. Для рабочего режима используется пропан-бутановая смесь ГОСТ 20448-90, поступающая из баллона 8 через регулятор расхода 6 и ротаметр 4. Исходная смесь резистивным нагревателем 9 нагревается до температуры пиролиза (~430°С)). Нагретая исходная смесь подается в зону реактора 1, в которой расположена подложка 10 с катализатором, помещенная в индуктор 11. На индуктор подается переменное напряжение от генератора 12, которое разогревает катализатор, находящийся на
подложке 10. При этом происходит каталитический пиролиз на поверхности катализатора на подложке 10 с образованием углеродных структур. Газообразные продукты пиролиза удаляются из реактора 1 через патрубок 15.
2. В процессе работы реактора производятся измерения. Принцип работы устройства основан  измерении значения ЭДС датчика (обмотки обратной связи 13), наводимое от индуктора 11 подключенного к генератору индукционного нагрева 12. Роль сердечника выполняет синтезируемый материал, расположенный на неметаллической подложке 10.
Далее сигнал обрабатывается в блоке обработки сигнала 14, проходя преобразование в ограничителе амплитуды сигнала 16, частотном фильтре 17, детекторе 18 и аналого-цифровом преобразователе 19 и, пройдя преобразование, поступает на регистрирующее устройство на базе ЭВМ 20. В основу работы преобразователя положено свойство материалов, находящихся в реакторе, изменять свои электрические характеристики (электропроводность) в процессе пиролиза. Так как в зону захвата детектора 18 попадают элементы конструкции, изготовленные из различных материалов, а в результате нагрева их свойства и характеристики могут меняться, фиксируемый детектором 18 параметр
можно характеризовать как совокупность ряда составляющих величин и представить как характеристическое сопротивление. Это сопротивление - безразмерная величина, характеризующая изменение всех материалов, находящихся в зоне действия обмотки обратной связи 13. Преобразованные сигналы обмотки обратной связи 13 поступают на монитор персонального компьютера и могут наблюдаться в числовом и графическом види.
Информация о функции ЭДС от времени дает возможность косвенного определения изменения массы материала, а также определения реперных точек изменения структуры.
Использую допущения:
m
где  - магнитная восприимчивость материала; χ - массовая
магнитная восприимчивость материала; m - масса материала. Отсюда:
где коэффициенты α и b являются градуировочными и определяют взаимосвязь массы и магнитной восприимчивости вещества в статистической форме, что позволяет исключить из рассмотрения структуру получаемого материала.
Магнитная восприимчивость в свою очередь:
1
0
где l - длина намотки индуктора; ε - значение ЭДС;  -количество витков индуктора;  - количество витков обмотки обратной связи; μ - магнитная проницаемость вакуума;  - сила тока в обмотке индуктора;  - площадь сечения обмотки обратной связи.
После подстановки (3) в (2), получим:
Предлагаемое устройство просто в аппаратурном исполнении и эксплуатации и обеспечивает контроль процесса синтеза волокнистых углеродных материалов и программную обработку полученных результатов.