СПОСОБ БЕЗОПАСНОГО ЗАПОЛНЕНИЯ УГЛЕРОДНЫМИ НАНОТРУБКАМИ, СИСТЕМА ЗАПОЛНЕНИЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА
METHOD OF SAFE FILLING WITH NANOTUBES, FILLING SYSTEM AND INDUSTRIAL UNIT TO THIS END

Изобретение относится к промышленному способу безопасного заполнения сосуда углеродными нанотрубками (УНТ) из другого сосуда. Изобретение относится также к системе заполнения, осуществляющей способ. Изобретение относится также к установке для безопасной расфасовки углеродных нанотрубок, снабженной системой заполнения по изобретению.
Область техники, к которой относится изобретение
Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой частицы диаметром, составляющим от 0,4 нм до 50 нм, и длиной, превышающей в 100 раз диаметр. УНТ образуют клубки, так что они представляют собой гранулометрический порошок, средний диаметр частиц которого около 400 микрометров.
Развитие деятельности, касающейся УНТ, привело Заявителя, как производителя УНТ, к обработке значительных количеств порошка УНТ и к поиску решений для расфасовки УНТ в контейнеры и их транспортировке между реактором и бункером для хранения. Однако обработка УНТ и концепция систем расфасовки могут также поставить вопросы безопасности для окружающей среды и персонала, даже если на сегодняшний день не известны риски, которым можно подвергнуться при рассеивании порошка УНТ в воздухе, включая малые дозы.
Действительно, Заявитель обнаружил проблемы, в особенности при заполнении УНТ одного сосуда из другого сосуда. Операции заполнения сосудов должны быть внедрены, как только возникнет необходимость в промышленной установке для расфасовки HTC в контейнеры.
Действительно, перед Заявителем стояла необходимость решения проблемы перемещения УНТ промышленным способом без воздействия УНТ на окружающую среду и людей. Для решения этой проблемы Заявитель нашел решение, которое обеспечивает максимум безопасности для окружающей среды и которое совместимо с промышленным производством.
В этом контексте Заявитель сделал выбор в пользу принципа предосторожности и нашел решение, как обеспечить максимальную безопасность в процессе перемещения УНТ из одного сосуда в другой сосуд через механическое соединение, размещенное между двумя сосудами. Заявитель нашел, в частности, решение, обеспечивающее максимальную безопасность при операциях заполнения УНТ из сосуда, где хранятся УНТ, в сосуд для расфасовки способом, совместимым с промышленным процессом.
Для этого Заявитель нашел решение, имеющее максимальный уровень безопасности во всей промышленной установке, используемой для переноса порошка УНТ из реактора для его изготовления до его расфасовки в контейнеры.
Для этого Заявитель использовал способ безопасного заполнения, в соответствии с которым соединение между сосудом, содержащим УНТ, и сосудом, предназначенным для приема УНТ, выполнено в виде безопасного двухклапанного устройства.
Двухклапанное устройство обеспечивает максимум герметичности и безопасности для окружающей среды в процессе перемещения и после него, так как части клапанов, связанные с открытым воздухом, не загрязнены в процессе перемещения.
Предшествующий уровень техники
В документе ЕР 1 468 917 описано устройство для перемещения порошка, гранул, жидкости или газа из одного контейнера в другой контейнер. Это устройство для перемещения выполнено в виде конусного клапана, перекрывающего отверстие одного контейнера, подающего механизма для перемещения конусного клапана; перекрывающей головки, размещенной на другом контейнере, а также механизма для перемещения головки внутри контейнера под давлением конусного клапана, этот же механизм обеспечивает возврат перекрывающей головки в ее первоначальное положение при отсутствии давления.
Конусный клапан перемещается под действием подающего механизма типа гидравлического, электрического или пневматического цилиндра, помещенного в контейнер.
Головка спарена с механизмом возврата, размещенного в другом контейнере.
Подающий механизм клапана размещен внутри контейнера. Необходимо поэтому предусмотреть адаптацию контейнера для обеспечения управления этим механизмом снаружи.
Устройство, описанное в этом документе, не касается перемещения углеродных нанотрубок. В любом случае это устройство для перемещения не приспособлено к углеродным нанотрубкам. Действительно, находясь внутри контейнера, подающий механизм клапана находится в контакте с перемещаемым порошком. Следовательно, имеется риск загрязнения и нарушения работы тем более значительный, что перемещаемый порошок является тонким, так как мы имеем дело с наночастицами, такими, как углеродные нанотрубки.
С другой стороны, это устройство не адаптировано к промышленному способу заполнения углеродными нанотрубками, так как устройство требует наличия контейнеров, приспособленных для передачи внешней команды для начала движения конусного клапана.
Кроме этих недостатков устройство для перемещения, содержащее такой тип клапана, является сложным и громоздким, так как оно содержит механизм подачи клапана и механизм возврата головки, каждый из которых перемещается в контейнере, в котором они расположены по продольной оси этого контейнера.
Краткое описание изобретения
Таким образом, для обеспечения максимума безопасности при перемещении углеродных нанотрубок и промышленного использования перемещения УНТ с одного места на другое, Заявитель предложил снабдить контейнеры устройствами с двойным клапаном, например, устройством типа «Buck» или «Glatt». Эти устройства известны также под названием мотылькового клапана. Они являются компактными устройствами, выполненными в форме двух плоских цилиндрических элементов, занимающих мало места и обладающих высокой герметичностью. Каждый элемент образует клапан, один, называемый активным клапаном, а другой - пассивным.
До настоящего времени устройства с двойным клапаном типа «Buck» или «Glatt» использовались в фармацевтических лабораториях при манипуляциях с малыми объемами порошков, имеющих гранулометрию большего диаметра, чем УНТ.
Такие устройства содержат первый активный клапан и один пассивный клапан. Привод открывания находится на периферии активного клапана устройства. Открывание двойного клапанного устройства может осуществляться только тогда, когда оба клапана совмещены один с другим. Управление открыванием блокируется при отсутствии совмещения. Открывание и закрывание прохода между двумя сосудами, соединенными один с другим этим типом клапана, обеспечивается заслонками, поворачивающимися одна против другой на диаметральной оси под действием привода открывания. Поверхности заслонок, контактирующие с продуктами, находящимися в сосудах, никогда не контактируют с внешней стороной. Таким образом, после разъединения двух клапанов никакой продукт (порошок или иной) не находится на внешних сторонах заслонок. Таким образом, окружающая среда сохраняется в процессе перемещения продуктов и даже после него.
Объектом изобретения является, в частности, промышленный способ заполнения углеродными нанотрубками одного сосуда из другого сосуда, в соответствии с которым перемещение УНТ из одного сосуда в другой обеспечивается с помощью соединения, содержащего устройство с двойным клапаном, при этом каждый из клапанов соединен с одним из сосудов, при этом упомянутые клапаны закрываются независимо и герметично и могут быть открыты только, когда они совмещены один с другим, причем упомянутое устройство является устройством с двойным мотыльковым клапаном.
В случае использования способа заполнения для осуществления дозирования УНТ, УНТ перемещается из контейнера к дозатору, способ заключается, таким образом, в соединении клапана, называемого активным клапаном, с контейнером, и другого клапана, называемого пассивным клапаном, с дозатором.
В случае использования способа заполнения для расфасовки УНТ в контейнеры из бункера для хранения, способ состоит в соединении клапана, называемого активным клапаном, с выходной линией бункера и другого клапана, называемого пассивным клапаном, с контейнером.
Изобретение касается также промышленной системы заполнения углеродными нанотрубками сосуда из другого сосуда, для чего система содержит средство соединения двух сосудов, содержащее двухклапанное устройство, при этом первый клапан предназначен для соединения с одним из сосудов, а другой клапан предназначен для соединения с другим сосудом, причем каждый из клапанов герметично и независимо закрывается после установки на сосудах, и оба клапана выполнены с возможностью совмещения одного с другим, причем это совмещение обеспечивает их открывание; упомянутое устройство является устройством с двойным мотыльковым клапаном.
По меньшей мере, один клапан двухклапанного устройства является активным, то есть он содержит привод открывания. Второй клапан является пассивным клапаном.
Двухклапанное мотыльковое устройство является плоским и компактным и содержит расположенные одна против другой заслонки, поворачивающиеся на диаметральной оси под действием привода открывания, расположенного на внешней периферии активного клапана.
Система заполнения может содержать переходник для согласования диаметра между диаметром клапана и диаметром отверстия контейнера. Переходник может быть закреплен на отверстии каждого контейнера для обеспечения соединения с клапанами.
Изобретение применимо к любому сосуду с двухклапанным устройством для обеспечения заполнения или перемещения УНТ из одного сосуда в другой.
Сосуды типа бункеров для хранения соединены с активным клапаном двухклапанного устройства.
Сосуды для расфасовки УНТ или иные сосуды для перемещения соединены с пассивным клапаном устройства, которое может быть размещено, например, непосредственно на отверстии сосуда.
Изобретение касается также промышленной установки для расфасовки УНТ в контейнеры, при этом такая установка снабжена системой заполнения углеродными нанотрубками по настоящему изобретению.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
- фиг.1 изображает схему системы заполнения УНТ, иллюстрирующую способ в первом варианте, заключающийся в перемещении УНТ из первого сосуда в другой сосуд,
- фиг.2 изображает схему промышленной установки для расфасовки УНТ в контейнеры, использующей систему заполнения УНТ, реализующую способ,
- фиг. 3А и 3В изображают поперечные разрезы АА устройства 30 по фиг. 4А и 4В соответственно вначале в разомкнутом положении, затем в соединенном; фиг. 3С и 3D поперечные разрезы ВВ того же самого устройства,
- фиг.5 изображает схему промышленной установки для расфасовки УНТ с линией пневматической транспортировки от реактора 100 к расфасовке.
Подробное описание
Манипуляции с УНТ в больших объемах являются для Заявителя целью разработки промышленной установки, начинающейся с изготовления, то есть от реактора, в котором формируются УНТ, до расфасовки в контейнеры различного размера от 20 L до 2000 L в соответствии с эксплуатационными требованиями.
Настоящее изобретение осуществлено в контексте этих разработок и касается перемещения УНТ от одного сосуда к другому, когда один сосуд должен быть механически соединен с другим непосредственно или через выходную линию, когда речь идет о сосуде для расфасовки или о любом другом сосуде, например, о сосуде для дозирования.
Нижеследующее описание позволяет иллюстрировать реализацию способа по изобретению в двух вариантах и систему, используемую для осуществления способа.
В первом варианте использования, изображенном на схеме по фиг.1, способ и система для ее реализации позволяют осуществить перемещение УНТ в сосуд 20 из другого сосуда 10, содержащего УНТ. Сосуд 20, в который перемещены УНТ, может являться, например, дозатором. Сосуд 20 является контейнером для хранения.
Соединение 300 между двумя сосудами 10, 20 выполнено посредством двухклапанного устройства 30, клапан 31 и клапан 32 соединены с каждым отверстием обоих сосудов.
Можно предусмотреть отсасывающее устройство 50, соединенное с устройством 30 для удаления всех остатков порошка УНТ из соединения.
Для транспортировки УНТ нет необходимости использовать челночные контейнеры, то есть контейнеры, отверстия которых имеют диаметр, равный диаметру клапанов двухклапанного устройства. Можно использовать контейнеры стандартного диаметра. Для этого удаляется крышка контейнера. При этом предусмотрено, что устройство для перемещения снабжено переходником для согласования диаметров, изображенным позицией 33 на фиг.1. На самом деле диаметры стандартных контейнеров больше, чем диаметры клапанов. Переходник 33 имеет форму конуса для того, чтобы одно из его отверстий было зафиксировано на контейнере на посадочном месте крышки, другое отверстие зафиксировано на клапане 31 и/или 32.
Ниже будет описан способ заполнения УНТ в случае второго варианта использования, который представляет собой расфасовку УНТ в контейнеры.
В первом примере практического осуществления, изображенного на схеме по фиг.2, расфасовка осуществляется без перемещения УНТ, при этом перемещение осуществляется из бункера 103 для хранения, в котором находится порошок УНТ, в контейнеры 200. Механическое соединение между бункером для хранения 103 и контейнером 200 осуществляется с помощью двухклапанного мотылькового устройства 30 типа «Buck» или «Glatt», выпускаемого компанией того же наименования. Это устройство может содержать переходник 33 для согласования диаметров, размещаемый на контейнере 200, если его диаметр не идентичен диаметру клапана 32.
Элементы, образующие промышленную установку I1 от реактора 100 до расфасовки, являются следующими:
- охладитель 101,
- просеивающая машина 102
- бункер 103 для хранения
- клапаны 301, 302
- система заполнения 300 для расфасовки, содержащая двухклапанное устройство 30.
Для получения порошка очень высокого качества без присутствия кокса удаляют самые большие частицы. Для этого после охладителя размещают сито 102, чтобы отделить большие частицы. Это сито 102 должно обеспечивать полную герметичность и отсутствие контакта между оператором и порошком УНТ, например, компактное сито компании RITEC. Срез сита составляет 2 мм при диаметре сита 400 мм при фильтрующей поверхности в 0,1 м. Это оборудование позволяет осуществить непрерывное просеивание порошка с повышенным выходом, причем преимуществом этого оборудования является наличие боковых двигателей, которые позволяют обеспечить значительные преимущества просеивания.
Бункер 103 соединен с выходом сита. Бункер имеет, предпочтительно, пирамидальную форму и выполнен из нержавеющей стали с объемом в этом особом примере осуществления в 350 L. Механическое соединение 300 позволяет обеспечить функцию безопасного заполнения между подачей УНТ из бункера и отверстием контейнера 200 благодаря устройству 30 с двойным мотыльковым клапаном.
УНТ, выходящие из бункера 103, могут в варианте, не представленном на этой схеме, проходить через контрольный клапан. Активный клапан 31 устройства 30 будет, в таком случае, соединен с этим контрольным клапаном.
Расфасовочный контейнер 200 соединен с пассивным клапаном 32 устройства 30.
Двухклапанное мотыльковое устройство типа «BUCK» позволяет, например, исключить любой контакт порошка с внешней средой, поэтому перемещение порошка УНТ полностью безопасно. Благодаря конструкции такого типа клапана способ перемещения порошка УНТ является замкнутым и чистым. Конструкция этого клапана исключает любую возможность загрязнения и утечки порошка УНТ наружу.
В том примере пассивный клапан 32 устройства установлен на отверстие расфасовочных контейнеров 200, тогда как активный клапан 31 соединен с выходом бункера для хранения.
Можно обратиться к схемам фиг. 3А-3D и 4А-4D для понимания работы двухклапанного устройства, описанной ниже.
Когда пассивный клапан 32 сосуда 20 или контейнера 200 соединен с активным клапаном 31, получающим УНТ из другого сосуда 10 (фиг.1) или из бункера 103 (фиг.2), обе внешние поверхности заслонок 34 и 35 клапанов сомкнуты вместе, что мешает порошку УНТ загрязнить эти поверхности. Таким образом, когда клапаны 31, 32 разведены, поверхности заслонок 34, 35 находятся в контакте с внешней средой, но не загрязнены порошком. Кроме того, совмещение двух клапанов 31, 32 позволяет отключить блокировку открывающего привода 36, поэтому заслонки могут поворачиваться под действием привода. Привод может быть автоматическим или ручным.
Открывание двойного клапана позволяет, таким образом, порошку УНТ перемещаться без всякой утечки наружу.
Во втором примере, представленном схемой на фиг.5, расфасовка осуществляется после транспортировки. В этом случае установка I2 содержит линию, позволяющую переместить УНТ из реактора 100 для изготовления в бункер 106 для хранения, который удален (например, в другое здание или на другой этаж).
Выбранный тип транспортировки является пневматической транспортировкой в плотной фазе для сохранения качества порошка УНТ и исключения образования  раздробленных частиц. Используемым газом является воздух.
Для обеспечения полной безопасности транспортировки функционирование осуществляется таким образом, чтобы обеспечивалось наличие разрежения в цепи, что позволяет, в случае утечки, исключить попадание порошка УНТ в атмосферу.
Элементами, образующими промышленную установку от реактора 100 до расфасовки, являются:
- реактор для образования УНТ (100),
- охладитель (101),
- пневматический транспортер (400),
- находящееся в разрежении сито (105) с воздушным фильтром (108),
- линейная просеивающая машина (102),
- бункер (106) для хранения
- дозирующий клапан (104)
- воздушный фильтр (107),
- система (300) заполнения для расфасовки с двойным клапанным мотыльковым устройством (клапанное устройство безопасности).
Проходное сито 120 позволяет собирать порошок УНТ, производимый реактором 100, сделать инертным этот порошок с попеременным воздействием разрежения и азота для того, чтобы исключить любой след этилена и особенно водорода перед осуществлением пневматической транспортировки.
Проходное сито 120 может быть также снабжено подавителем для того, чтобы в необходимом случае оно могло функционировать для нагнетания.
Наличие водорода может быть опасным в случае утечки и контакта с воздухом. Транспортировка углеродных нанотрубок осуществляется только после контроля линейным анализатором концентрации этилена, расположенным на выходе проходного сита 120 (перед транспортировкой УНТ). Предполагается, что если отсутствует этилен, водород также исчезает.
Для получения порошка очень хорошего качества без кокса самые большие частицы удаляют. Для этого на транспортирующей линии 400 после вакуумного сита 105 размещают линейную просеивающую машину 102 для отделения больших частиц. Эта просеивающая машина 102 должна обеспечивать полную герметичность и отсутствие контакта между оператором и порошком УНТ, например, такая как просеивающая машина компании RITEC. Срез сита просеивающей машины составляет 2 мм при диаметре сита 400 мм при фильтрующей поверхности в 0,1 м. Это оборудование позволяет обеспечить непрерывное просеивание порошка с повышенным выходом, причем преимущество этого оборудования обуславливается наличием боковых двигателей, которые обеспечивают высокую производительность просеивания.
Просеивающая машина 106 имеет, предпочтительно, пирамидальную форму и выполнена из нержавеющей стали, и объем в этом особом варианте осуществления в 350L.
Не представленное на чертеже взвешивающее устройство позволяет в любой момент знать количество УНТ, производимое в реакторе 100.
Воздух подводится в то же время, когда порошок УНТ направляется к воздушному фильтру 107, снабженному высокоэффективными фильтрами, такими как фильтры HEPA H14. Фильтр HEPA обладает способностью удерживать находящиеся в воздухе частицы диаметром 0,3 m с коэффициентом эффективности 99,995%.
Система заполнения для расфасовки УНТ обеспечивает возможность заполнения различных объемов углеродными нанотрубками (маленькие объемы от 1 литра до 10 литров и большие объемы от 60 литров до 200 литров и до 1 м (и весом от 100 г до 100 кг и более)) и работы при полной безопасности без воздействия на порошок.
Соединительный механизм 300 между выходом УНТ из бункера и отверстием контейнера выполнен с помощью двухклапанного мотылькового устройства 30 (типа «Buck» или «Glatt»).
УНТ, выходящие из бункера, проходят вначале через контрольный клапан 104. Активный клапан 31 устройства 30 соединен с этим контрольным клапаном 104.
С целью уменьшения габаритов контрольный клапан 104 содержит дозатор типа DOSIMAT©. Этот клапан содержит секцию DN 150 и образован кольцевым диском, приводимым в движение цилиндром, который посредством качания вокруг оси позволяет пропускать более или менее значительный поток продукта через отверстие в форме полумесяца, которое может изменяться от полного закрывания до полного открывания.
Можно также предусмотреть опорожнение приемного контейнера после транспортировки в приемный бункер установки, использующий УНТ. В этом случае приемный бункер снабжен активным клапаном для обеспечения перемещения в полной безопасности.
Описанная выше промышленная установка позволяет расфасовывать порошок УНТ в полной безопасности, эта безопасность обеспечивается как в момент расфасовки в контейнеры, так и по всей линии транспортировки от реактора до сдвоенного безопасного устройства 30.