РЕАКТОР НЕПРЕРЫВНОГО СИНТЕЗА УГЛЕРОДНЫХ СТРУКТУР

Полезная модель относится к оборудованию синтеза волокнистых углеродных материалов методом газофазного химического осаждения углерода в процессе пиролиза ароматических, и неароматических углеводородов и может быть использована для промышленного получения наноструктурированных углеродных материалов.
Технология получения волокнистых углеродных материалов заключается в проведении пиролиза углеродсодержащих газов, либо углеродосодержащих материалов в присутствии металл- металлоксидных катализаторов, преимущественно на основе ультрадисперсных переходных 3d металлов (никеля, железа, кобальта), либо сплавов на их основе с последующим охлаждением продуктов пиролиза.
В патенте США №5165 В 909, 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 контроля процесса синтеза и жесткого управления, например таким параметром как время пребывания катализатора в реакционной зоне. Это приводит к снижению эффективности синтеза наноструктурных углеродных материалов в целом.
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 г.), содержащий соединенный с трубопроводом подачи углеводородного газа корпус, в котором установлены нагреватели, при этом 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 синтез материала в процессе проведения каталитического пиролиза.
Известен также реактор для получения волокнистых углеродных структур каталитическим пиролизом (Патент РФ №2310023, МПК D01F 9/10, 2007 г.), содержащий корпус, верхняя часть которого соединена с трубопроводом отбора газообразных продуктов пиролиза и снабжена узлом подачи катализатора в виде дозатора, соединенного с осадительной камерой, а в нижней части, соединенной со сборником готового продукта и трубопроводом подачи углеродсодержащего газа. В этом реакторе корпус, выполнен 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 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. 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.
Указанные недостатки обусловлены конструктивными признаками известного технического решения.
По совокупности общих признаков в качестве прототипа выбран реактор по патенту РФ №2310023.
Технический результат, обеспечиваемый полезной моделью, состоит в организации контролируемого и управляемого непрерывного процесса синтеза волокнистых углеродных материалов.
Указанные результат достигается тем, что в реакторе для синтеза волокнистых углеродных структур, содержащем корпус, верхняя часть которого соединена с трубопроводом отбора газообразных продуктов пиролиза и снабжена узлом подачи катализатора в виде дозатора, соединенного с осадительной камерой, а в нижней части соединенной со сборником готового продукта и трубопроводом подачи углеродсодержащего газа, согласно полезной модели под осадительной камерой установлена полупроницаемая для пылевидного или гранулированного катализатора прослойка, под которой установлено устройство отбора синтезированного углеродного материала и над которой установлены дополнительные нагреватели.
Прослойка может быть выполнена из синтезированного углеродного материала.
Дополнительные нагреватели выполнены в виде установленных над перегородкой нагревателей в кварцевых колбах.
Устройство отбора синтезированного углеродного материала выполнено в виде вертикального шнека с цилиндроконическим профилем и штанги с лопастями, взаимодействующими с синтезированным материалом.
Бункер выгрузки соединен с линией подачи инертного газа.
На стенке нижней части реактора установлены ребра и коллектор распределения углеродсодержащего газа.
Между отличительными признаками и достигаемым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь.
Установка под осадительной камерой полупроницаемой для пылевидного или гранулированного катализатора прослойки, под которой установлено устройство отбора синтезированного углеродного материала и над которой установлены дополнительные нагреватели обеспечивает организацию непрерывного процесса синтеза волокнистых углеродных материалов и контроль одного из ключевых параметров - время контакта, которое определяет, как производительность оборудования в целом, так и качественные показатели, например длина одиночных волокнистых структур. Т.е это обеспечивает организацию контролируемого и управляемого непрерывного процесса синтеза волокнистых углеродных материалов.
Выполнение прослойки из синтезированного углеродного материала обеспечивает нанесение катализатора на развернутую поверхность сложной формы, что увеличивает поверхность контакта катализатора с углеродсодержащим газом и обеспечивает повышение производительности процесса синтеза.
Выполнение дополнительных нагревателей в виде установленных над перегородкой нагревателей в кварцевых колбах обеспечивает создание комбинированного резистивного обогрева реакционной зоны через стенку аппарата и внутри расположенными нагревателями и позволяют с одной стороны обеспечить требуемую мощность нагрева при минимальных габаритах, а другой стороны возможность точного измерения количества подведенной к реакционному газу и к катализатору тепла. Исходный газ поступает в реактор с постоянной скоростью и нагревается до заданной температуры. Это позволяет достаточно точно определять количество тепла, расходуемого на нагрев газа. Измерение количества тепла, расходуемого на нагрев катализатора, также может определяться с высокой точностью, так как известны температура и масса катализатора. За счет этого достигается обеспечение возможности контроля процесса получения волокнистых углеродных материалов и управление их качественными параметрами во время синтеза.
Выполнение устройства отбора синтезированного углеродного материала в виде вертикального шнека с цилиндроконическим профилем и штанги с лопастями, взаимодействующими с синтезированным материалом позволяет повысить конверсию углеродсодержащего газа, за счет разрушения вертикальных каналов, и предотвращения возможности «проскока» газа.
Соединение бункера выгрузки с линией подачи инертного газа обеспечивает отвод тепла от полученного продукта, что исключает его температурное разложение. Кроме того, инертный газ создает необходимый подпор, исключая проникновение в полость реактора кислорода из атмосферы.
Установка на стенке нижней части реактора ребер и коллектора распределения углеродсодержащего газа обеспечивает угловую фиксацию перегородки при взаимодействии с вращающимися элементами механизма отбора и равномерность распределения в полости реактора углеродсодержащего газа.
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 серии реакторов для синтеза волокнистых углеродных материалов с получением технического результата, заключающегося в обеспечении непрерывного процесса синтеза при условии контроля и управления количественными и качественными характеристиками полученных продуктов каталитического пиролиза, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию "промышленная применимость".
Сущность заявляемой полезной модели поясняется примером конкретного выполнения, где на фиг.1 показан общий вид реактора в разрезе, на фиг.2 показано скребковое устройство.
Перечень позиций на указанных чертежах.
1. верхний корпус;
2. нижний корпус;
3. бункер выгрузки углеродного наноматериала (УНМ);
4. колонна напыления;
5. питатель;
6. нагреватель внутренний;
7. штуцер отвода газообразных продуктов;
8. реакционная зона;
9. нагреватель внешний;
10. штуцер;
11. коллектор;
12. шнек;
13. активатор;
14. ребро;
15. теплоизоляция;
16. стойка;
17. штуцер подачи инертного газа;
18. узел герметизации;
19. шнек;
20. фланец;
21. лопасти;
22. штанга.
Реактор представляет собой вертикальную колонну, состоящую из трех основных элементов: верхний корпус 1, нижний корпус 2 и бункер выгрузки УНМ 3. Верхний корпус 1 выполнен в виде конической обечайки со сферическим крышкой, в которой установлена колонна напыления катализатора 4, в верхней части которой в «холодной» зоне расположен питатель 5, подающий катализатор в непрерывном или импульсном режиме. Колонна напыления имеет форму усеченного конуса, обращенной широкой частью вниз, обеспечивая охват всей поверхности реакционной зоны.
В крышке верхнего корпуса расположены также внутренние электрические нагреватели 6, помещенные в колбы, изготовленные из кварцевого стекла и штуцер 7, соединенный с линией отвода газообразных продуктов синтеза УНМ (не показана). В нижнем корпусе 2 расположена реакционная зона 8, имеющая цилиндроконическую форму. Основной нагрев реакционной зоны осуществляется внешним электрическим нагревателем 9 через стенку нижнего корпуса 2. Нагрев реакционной зоны осуществляется комбинированным способом: через стенку нижнего корпуса и вторичным лучистым потоком от электрических нагревателей внутренних 6 в кварцевых колбах. Углеродсодержащий газ подается через штуцер 10 в коллектор 11, расположенный в конической части нижнего корпуса 2. там же установлено устройство для отбора готового синтезируемого материала в виде шнека 12 с цилиндроконическим профилем. Перемешивание синтезируемого материала в реакционной зоне осуществляется активатором 13 соединенным с валом шнека 12. По образующим нижнего корпуса 2 установлены ребра 14, препятствующие совместному вращению УНМ со скоростью вращения шнека. На нижнем 2 и верхнем 1 корпусах установлена теплоизоляции 15. Нижней корпус снабжен стойками 16 для установки на станину (не показана).
Бункер выгрузки 3 соединен с линией подачи инертного газа через штуцер 17. Привод шнека выгрузки УНМ из реакционной зоны осуществляется через герметизирующий узел 18. В нижней части бункера выгрузки 3 установлен горизонтальный шнек выгрузки 19. Верхний корпус 1 и нижний корпус 2 соединены фланцем 20. На валу шнека 12 закреплена штанга 21 с лопастями 22.
В аппарате размещены термоэлектрические преобразователи для контроля температуры в различных точках внутри аппаратного пространства (не показаны).
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
При температуре окружающей среды в реакционную зону 8 загружается полученный ранее наноструктурированный углеродный материал до заданного уровня. После продувки верхнего 1 и нижнего корпуса 2, заключенных в теплоизоляцию 15, инертный газом (азот, аргон) через штуцеры 10, 17 включается нагрев аппарата до рабочей температуры нагревателями 6, 9. Данные нагреватели обеспечивают прогрев реакционной зоны за счет вторичного излучения от стенок колонны напыления катализатора 4, а также создают условия для интенсивной свободной конвекции внутри колоны напыления 4 для равномерного распределения катализатора по сечению реакционной зоны. При достижении рабочей температуры питателем 5 в колону напылении 4 подается катализатор. Конвективными токами газовой среды внутри колоны за счет теплового потока от нагревателей 6 катализатор относительно равномерно распределяется по сечению реакционной зоны. Осажденный катализатор располагается на поверхности сложного профиля загруженного ранее наноструктурированного углеродного материала в реакционную зону. Одновременно с подачей катализатора, через штуцер 10 и коллектор 11 подается углеродсодержащий газ, а через штуцер 17 продолжает поступать инертный газ с расходом, обеспечивающим избыточное давление в бункере выгрузки продукта 3 с узлом герметизации 18. В результате процесса пиролиза образующиеся газообразные продукты удаляются из аппарата через штуцер 7. Образовавшийся в процессе синтеза продукт постоянно перемешивается активатором 13, путем вращения штанги 22 с лопастями 21 и удаляется из реакционной зоны механическим устройством (вертикальным шнеком 12) в бункер выгрузки 3, где материал охлаждается до безопасной температуры, далее материал выгружается из аппарата шнеком выгрузки 19. Вращению продукта от взаимодействия с лопастями 22 препятствуют ребра 14. Скорость выгрузки продукта определяется постоянным уровнем в реакционной зоне. Далее аппарат выходит на стационарный непрерывный режим работы.
Предлагаемый реактор прост в аппаратурном исполнении и эксплуатации и обеспечивает возможность непрерывного синтеза углеродных структур с контролируемыми и управляемыми количественными и качественными показателями.