Реактор для активации углеродного материала
CARBON MATERIAL ACTIVATION REACTOR

Предлагаемое изобретение относится к технологии и оборудованию получения углеродных наноматериалов с развитой поверхностью и пористостью и может найти применение в сорбционной технике, производстве катализаторов, полимерных материалов и радиоэлектронике. Конкретно, предлагается конструкция реактора для химической активации углеродного материала, которая отличается простотой, возможностью масштабирования, позволяет повысить безопасность и производительность, а также получать активированный углеродный материал с высокой удельной поверхностью и большим удельным объемом микро- и мезопор.
Для большинства применений наиболее эффективными являются материалы, содержащие микро- и мезопоры, с как можно более высоким удельным объемом пор и удельной поверхностью. Согласно классификации, официально принятой Международным союзом по теоретической и прикладной химии (IUPAC), поры классифицируются по размерам следующим образом: микропоры (<2 нм); мезопоры (2-50 нм); макропоры (>50 нм). В реальных материалах под размером поры подразумевается эффективный диаметр, вычисляемый из изотерм адсорбции-десорбции по той или иной теоретической модели. Наиболее часто вычисления параметров поверхности и пористости различных материалов проводят по моделям BET, BJH и DFT, которые, как правило, заложены в программы современных приборов для адсорбционных измерений. В технике применяется также термин «нанопористый материал», для которого диапазон размеров пор не стандартизирован, но обычно составляет от одного до нескольких нанометров, то есть, перекрывается с диапазоном микро- и мезопористости.
Известна установка для активации углеродосодержащего материала (Патент РФ №2182112), содержащая корпус с огнеупорной изоляцией, расположенную внутри него цилиндрическую реторту (реактор) с перемешивающим устройством, нагревательные элементы, выполненные в виде газовых горелок, устройства для загрузки и выгрузки, а также патрубки для ввода газообразных реагентов; ось газовых горелок смещена относительно оси реторты на величину 0,9-1,2 радиуса последней, а камера печи снабжена патрубком для отвода нагревающих газов.
Общими существенными признаками известного и заявляемого технического решения являются наличие обогреваемого корпуса и патрубков для ввода газообразных реагентов, причем, конфигурация патрубков обеспечивает закручивание газового потока.
Недостатками указанной установки является то, что она непригодна для проведения химической активации углеродных материалов гидроксидом калия.
Известен способ и установка для химической активации углеволокнистых материалов, описанный в источнике информации: Hui Qian, Hele Diao, Natasha Shirshova, Emile S. Greenhalgh, Joachim G.H. Steinke, Milo S.P. Shaffer, Alexander Bismarck, Activation of structural carbon fibres for potential applications in multifunctional structural supercapacitors, Journal of Colloid and Interface Science 395 (2013) 241-248, согласно которому осуществляют пропитку углеродного волокна в растворе КОН различных концентраций, после чего проводят сушку в вакуумной печи при температуре 80°С, после активируют образцы в печи при температуре 800°С в течение 30 мин в атмосфере N2.
Недостатком рассмотренной установки является то, что она непригодна для масштабирования, поскольку не позволяет безопасно нейтрализовать пары металлического калия, выделяющиеся в процессе химической активации углеродного материала гидроксидом калия.
Известен способ получения волокнистых углеродных структур каталитическим пиролизом (Патент РФ №2296827), заключающийся в том, что в продутом аргоном реакторе распыляют катализатор в виде пылевидного сплава на основе никеля, нагревают до температуры 600-1150°С. После этого производят непрерывную подачу углеродсодержащего газа и отвод газообразных продуктов пиролиза, и по окончании процесса пиролиза готовый продукт вместе с катализатором охлаждают, причем в реактор с нагревателями, размещенными над и под установленным диском, струйным распылителем подают инертный газ и катализатор, поступающий в распылитель через дозатор в камеру - осадитель, имеющую вид перевернутого стакана с сечением в виде сектора вращающегося диска, в котором производят осаждение пылевидного катализатора на верхнюю поверхность диска при включенном приводе вращения диска слоем 0,1-0,3 мм, затем подают углесодержащий газ со стороны нижней поверхности диска, который нагревают, при этом отвод газообразных продуктов пиролиза осуществляют через патрубки, которые размещены в верхней части реактора и камеры - осадителя. По окончании процесса пиролиза включают привод вращения диска и скребком удаляют твердые продукты пиролиза в охлаждаемую емкость отбора продуктов пиролиза, в которую также подают инертный газ.
Общими существенными признаками известного и заявляемого технического решения являются наличие обогреваемого корпуса, патрубков для ввода газообразных реагентов, а также отдельной камеры для проведения части технологического процесса.
Недостатком такого способа является сложность конструкции реактора и низкий выход углеродного материала с единицы его объема.
Известен способ получения углеродных наноматериалов (Патент РФ №2481889), заключающемся в том, что в реактор, снабженный нагревателем, помещают мелкодисперсный катализатор, продувают инертным газом и нагревают до температуры пиролиза, после чего производят непрерывную подачу углеродсодержащего газа и отвод газообразных продуктов пиролиза через патрубки и по окончании процесса пиролиза готовый продукт охлаждают, согласно изобретению в объеме реактора помещают катализатор в виде таблеток. При этом обеспечивается повышение производительности реактора за счет более полного использования внутреннего объема реактора. После герметизации реактора включают нагреватели и через газораспределительное устройство в полость реактора подают инертный и углеродсодержащий газы, в процессе синтеза на таблетки катализатора воздействуют акустическим активатором.
Недостатком такого способа является сложность конструкции реактора, низкий выход углеродного материала с единицы его объема, длительность процесса - до полной выработки загруженного катализатора, наличие дополнительных воздействий на получаемый материал и конструкцию установки в виде акустических волн.
Общими существенными признаками известного и заявляемого технического решения являются наличие обогреваемого реактора, патрубков для ввода газообразных реагентов, плотное размещение исходного материала - катализатора, для более полного использование объема реактора.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ получения мезопористого углерода (Патент РФ №2620404) и установка для его получения, описанная в примере реализации этого способа. Согласно способу для приготовления исходного вещества в емкости из нержавеющей стали смешивали водные растворы ФФС, углевода и водную пасту графеновых нанопластинок. Емкость закрывали плотно прилегающей стальной крышкой, прижатой пружинами, чтобы исключить свободный воздухообмен с окружающей средой. Смесь нагревали в сушильном шкафу со скоростью 10°С/мин с выдержкой по 4 часа при 140°С, 160°С, и 8 часов при 300°С. При этом испарялась вода, содержащаяся в исходной смеси компонентов, и происходило отверждение ФФС. Полученное после термообработки вещество представляло собой твердую пористую массу. Для последующей активации эту массу дробили с помощью мельницы ударного типа до размера частиц менее 0,2 мм. Для щелочной активации карбонизированного углеродного сырья применяли стакан из углеродистой стали, снабженный крышкой с газоподводящей трубкой, через которую пропускали медленный ток аргона для изоляции реакционного пространства от атмосферы.
Общими существенными признаками известного и заявляемого технического решения являются наличие обогреваемого реактора, патрубков для ввода и вывода газообразных продуктов.
Недостатком такого способа является отсутствие блока нейтрализации паров калия в ходе химической активации углеродного сырья. При этом пары металлического калия выделяются в пространство печи, где, реагируя с кислородом воздуха, образуют аэрозоль гидроксида калия, который со временем разрушает футеровку печи. Очевидно, что такое техническое решение непригодно для масштабирования от лабораторных образцов до производства.
В основу заявляемого технического решения положена задача, путем изменения конфигурации реактора, устранить недостатки реактора-прототипа.
Указанная задача достигается тем, что реактор для активации углеродного материала, состоящий из фланцевой крышки с патрубком ввода инертного газа и корпуса с коническим днищем, внутри корпуса установлена этажерочная сборка контейнеров с активируемым углеродным материалом и активирующим реагентом (гидроксидом калия), причем, реактор снабжен камерой нейтрализации паров калия, расположенной в нижней части корпуса с подводом водяного пара по тангенциально расположенному или спиральному патрубку, и патрубком для выхода продуктов реакции, а на патрубке ввода инертного газа установлен диск-рассекатель газового потока в виде пластины с установленными на нем лопастями-турбулизаторами для равномерного распределения газового потока вдоль стенок по объему реактора.
Корпус реактора установлен в печь для равномерного нагрева реакционной зоны.
Активируемый углеродный материал помещается в нескольких контейнерах, количество которых определяется исходными размерами реактора, собранных в этажерку, для максимального использования полезного объема реактора. Необходимость размещения активируемого материала в этажерочной сборке из нескольких контейнеров диктуется тем, что при загрузке всей реакционной смеси (активируемый углерод и гидроксид калия) в один контейнер расплав гидроксида калия стекает вниз, вследствие чего реакционная смесь становится неоднородной.
Инертная среда в реакторе поддерживается подачей инертного газа через патрубок, к которому прикреплен диск-рассекатель газового потока, содержащий лопасти.
На диске - рассекателе газового потока установлены дугообразные лопасти-турбулизаторы для равномерного распределения и закручивания потока газа вдоль стенок по объему реактора.
Внизу реактора выполнено коническое днище с газоотводной трубкой, к которому присоединена камера для нейтрализации газообразных продуктов химических реакций, в том числе паров металлического калия.
В камеру нейтрализации через тангенциально расположенный патрубок подается водяной пар, который закручивается для интенсификации перемешивания с газообразными продуктами химических реакций для их нейтрализации.
Как вариант реализации изобретения, тангенциально расположенный патрубок подвода водяного пара может быть выполнен в виде перфорированного витка спирали.
По имеющимся у заявителя сведениям, совокупность существенных признаков заявляемого изобретения не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию "новизна".
Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность изобретения, может быть многократно использована в производстве серии реакторов для химической активации углеродных материалов с получением технического результата, заключающегося в упрощении конструкции, повышении ее надежности, безопасности и качестве получаемого продукта, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию "промышленная применимость".
Сущность заявляемого изобретения поясняется примером конкретного выполнения, где на фиг.1 изображен продольный разрез реактора; на фиг.2 показан вариант патрубка подачи воды или пара в виде перфорированного витка спирали; на фиг 3 показано расположение лопастей-турбулизаторов на диске-рассекателе газового потока.
Перечень позиций на указанных чертежах.
1. корпус реактора;
2. фланцевая крышка;
3 этажерочная сборка контейнеров с активируемым углеродным материалом;
4. камера нейтрализации газообразных продуктов химической реакции;
5. коническое днище с газоотводной трубкой;
6. тангенциально расположенный патрубок или перфорированный виток спирали;
7. патрубок подачи водяного пара
8. патрубок подачи инертного газа;
9. патрубок для вывода продуктов химических реакций;
10. печь;
11. диск-рассекатель газового потока;
12. лопасти-турбулизаторы на рассекателе газового потока.
Реактор для активации углеродного материала содержит: корпус реактора 1, помещенный в печь 10, на который имеет сверху фланцевую крышку 2 с установленной трубкой подачи инертного газа 8. Снизу к трубке прикреплен диск - рассекатель газового потока 11 с установленными на нем дугообразными лопастями-турбулизаторами для равномерного распределения и закручивания потока газа вдоль стенок реактора. В корпусе реактора расположена этажерочная сборка контейнеров 3 с активируемым углеродным материалом и химическим активатором (гидроксидом калия). Внизу реактора выполнено коническое днище с газоотводной трубкой 5. Через нее с потоком инертного газа выходят газообразные продукты химической реакции, в том числе пары калия. В камеру нейтрализации 4, которая прикреплена к корпусу реактора, через тангенциально расположенный конец 6 трубки 7 подается водяной пар, который смешивается с парами калия, в результате чего образуется расплавленный гидроксид калия. Образующиеся продукты химических реакций, в том числе расплав гидроксида калия выходят вниз по трубке для вывода продуктов химических реакций 9 в герметически присоединенный приемник (на фиг.1 не показан), а газовая смесь из приемника отводится в вытяжную вентиляцию.
Реактор для активации углеродного материала работает следующим образом. В реактор 1 загружается этажерочная сборка контейнеров 3 с активируемым углеродным материалом и гидроксидом калия в заданном количестве. Реактор закрывается фланцевой крышкой 2, включается нагрев печи 10, одновременно через патрубок ввода 8 внутрь реактора подается инертный газ, выходя из боковых отверстий патрубка он попадает на диск - рассекатель газового потока 11 с установленными на нем дугообразными лопастями-турбулизаторами 12 для равномерного распределения и закручивания потока газа вдоль его стенок по объему реактора при одновременном нагреве. Снизу реактора выполнено коническое днище с газоотводной трубкой 5, через которую в камеру нейтрализации 4 выводятся с инертным газом продукты химической реакции. В эту же камеру одновременно с нагревом печи по патрубку 7 подается водяной пар для нейтрализации продуктов реакции. Патрубок 6 расположен внутри камеры тангенциально для интенсификации смешивания водяного пара с продуктами реакции. Образующийся в результате взаимодействия пара металлического калия с водяным паром расплав гидроксида калия стекает вниз по трубке 9 в герметически присоединенный приемник (на фигуре 1 не показан), а газовая смесь из приемника отводится в вытяжную вентиляцию.
Предлагаемое устройство для активации углеродных материалов обладает простотой конструкции, возможностью масштабирования, повышенной надежностью, безопасностью и производительностью. Позволяет получать активированные углеродные материалы с высокой удельной поверхностью и большим объемом микро- и мезопор.
Что касается основных технологических параметров - исходного сырья, температурных режимов и временных интервалов то они не являются заявляемыми признаками в настоящем изобретении, потому что могут быть выбраны исходя из уровня техники.