УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к установке для проведения химических процессов в присутствии катализатора для получения углеродных наноматериалов
Известен реактор для получения волокнистых углеродных структур каталитическим пиролизом (Патент РФ №69869, D01F 9/10, 10.01.2008), который содержит соединенный с трубопроводом подачи углеводородного газа корпус, в котором установлены нагреватели, в нижней части которого расположен сборник готового продукта. Корпус реактора выполнен в виде основания и крышки, на основании смонтирован сборник готового продукта, выполненный в виде соединенной с вращающейся опорой тарелки со слоем катализатора, на внутренней поверхности крышки установлены соединенный с трубопроводом подачи углеводородного газа конический раструб и закреплена опора, на которой установлены взаимодействующие с верхней поверхностью тарелки перемешивающие катализатор устройства. Перемешивающие устройства выполнены в виде пластин, установленных на противоположных относительно центра частях опоры под углом друг к другу, либо в виде вертикальных стержней, установленных на опоре с возможностью осевого перемещения.
Недостатком такого реактора является прерывность проходящего в нем процесса. Другими недостатками являются недостаточная газодинамика процесса, сложность организации перемешивания катализатора во время получения волокнистых углеродных структур.
Известно устройство для проведения каталитической реакции в многофазной системе (Патент РФ №2105602, B01J 8/22, 27.02.1998). Устройство в виде циркуляционного контура включает реактор, содержащий слой катализатора, и линии ввода газообразных реагентов, жидких реагентов, вывода газообразных реагентов и жидких продуктов, расположенные на циркуляционной линии, соединяющей выход реактора с входом. Реактор дополнительно снабжен промежуточной емкостью для жидких реагентов и продуктов и загрузочным бункером для подачи твердого реагента.
Недостатками этого изобретения является трудность организации газового потока, возможностью забивки форсунки трудно-растворимым веществом. Кроме того, данный способ не применим для высокотемпературных процессов.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является реактор для получения наноразмерных углеродных нитей (И.В.Мишаков, Р.А.Буянов, В.В.Чесноков, И.А.Стрельцов, А.А.Ведягин // Катализ и промышленность)), 2008, №2, с.27-28). Реактор представляет собой сосуд с горловиной и хвостовиком и располагается в горизонтальной печи. Горловина крепится с помощью гайки к полому валу. Хвостовик центрируется опорой. Вращение реактора осуществляется приводом. Реактор смонтирован на основании, которое может быть закреплено и в наклонном положении под углом до 8° относительно рамы при повороте его на оси. Для герметизации трубок с входящим и выходящим газами и термопарного кармана служит сильфонный узел с шаровым уплотнением.
Недостатком устройства является прерывность процесса получения углеродных наноматериалов.
Задачей предлагаемой установки является улучшение качества продукта и повышение производительности по углеродным наноматериалам.
Поставленная задача достигается при помощи установки для получения углеродных наноматериалов, которая состоит из реактора, вращающегося под углом наклона не более 20°, помещенного в печь, системы непрерывной подачи катализатора в реактор, емкости для непрерывного сбора конечного продукта и трубок для подачи входящего и выходящего газов. Установка содержит двигатель для вращения реактора. Система непрерывной подачи катализатора представляет собой цилиндрический вращающийся объем с устройствами для захвата и перемещения катализатора. Печь содержит три автономные секции с автоматической регулировкой нагрева.
По второму варианту реактор может содержать лопасти для перемешивания катализатора, расположенные на внутренней поверхности корпуса реактора.
На Фиг.1 изображен внешний вид установки с вращающимся реактором для получения углеродных наноматериалов (УНМ).
На Фиг.2 изображена схема установки с вращающимся реактором для получения углеродных наноматериалов (УНМ).
На Фиг.3 изображено сечение по А-А корпуса реактора.
На Фиг.4 изображено сечение по А-А корпуса реактора с лопастями.
Корпус реактора (3) (Фиг.2) представляет собой трубку, соединенную с одной стороны с системой подачи катализатора (4) с помощью гайки (12), а с другой - с приемной емкостью для сбора УНМ (1).
Реактор через камеру загрузки соединяется с полым валом (6).
Реактор располагается в печи (2).
Вращение реактора осуществляется двигателями (5) с помощью зубчатой пары с числом оборотов на выходе n=1,3 об/мин.
Трубки (8 и 9) с входящим и выходящими газами, термопарный карман (10) вводятся в реактор через сильфонный узел (7) с шаровым уплотнением.
Конструкция реактора смонтирована на раме (11), которая при необходимости имеет угол подъема всей конструкции от 0 до 20°.
Реактор может содержать лопасти (13) на внутренней поверхности корпуса (Фиг.4).
Установка работает следующим образом.
Перед началом синтеза реактор нагревают в потоке инертного газа (аргона) до требуемой температуры реакции. Нагрев реактора осуществляется с помощью электропечи 2, имеющей три независимые друг от друга секции (обмотки). Наличие трех секций позволяет равномерно нагревать реактор по всей длине. После нагрева реактора до заданной температуры, через систему подачи катализатора 4 загружают катализатор (1,5-2 г) и включают вращение реактора. Вращение реактора осуществляется двигателями 5. Из системы подачи 4 катализатор поступает в корпус реактор 3 и, благодаря вращению реактора и особенностям конструкции установки (возможно расположение реактора под углом к горизонтали), движется поступательно по всей длине реактора, проходя высокотемпературную зону реакции (зона 2). Время прохождения катализатором высокотемпературной зоны зависит от скорости вращения реактора. На входе в реактор через трубку 8 подают реакционную смесь из углеводородов и/или водорода. В температурной зоне 2 проходит реакция каталитического пиролиза. Твердый продукт реакции (УНМ - углеродный наноматериал), пересыпаясь по реактору, попадает в емкость для сбора УНМ 1. На выходе из реактора (трубка 9) получающаяся газовая смесь состоит из водорода, образовавшегося в процессе реакции, и небольшого количества неразложившейся углеводородной смеси.
Заявляемая установка позволяет улучшить качество продукта и повысить производительность по углеродным наноматериалам.
Проведенные эксперименты показали возможность получения из бутадиена, разбавленного водородом, многослойных УНМ со скоростью 5 г/ч. Проведенные оценки показали, что производительность непрерывной установки по сравнению прототипом возрастает, по крайней мере, в три раза, за счет отсутствия стадий нагрева и охлаждения реактора.