АППАРАТ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ФУЛЛЕРЕНА

Предложение относится к области физико-технологических процессов получения фуллеренов и фуллеренсодержащих композиций путем термической переработки углеродсодержащих материалов.
В настоящее время известны принципиальные направления развития и совершенствования технических средств для данной технологии, из которых наиболее характерными и представительными являются установки и аппараты для получения фуллерена и фуллеренсодержащих материалов (ФСМ), содержащие рабочую реакционную камеру, генератор тепловой энергии для переработки материала, источник хладагента для балансирования температуры, вакуум-установку и нагнетательный насос для заполнения камеры и откачивания из нее газа, подаваемого от источника сжатой инертной среды; магистрали подачи исходного материала и отвода продуктов переработки, прибор экспресс-анализа состава материала, контейнер сбора продуктов переработки УСМ; [Перспективы развития пром. методов производства фуллеренов, ж. техн. физики, т.70, вып.5, с.3-5, р.4. 2000.; US 5227038, 1993; RU 2187456, 2001; RU 2205790. С01В 31/02, 2002.].
Последнее из указанных технических решений является наиболее близким по сущности и достигаемому техническому результату.
При наличии тактико-технических преимуществ прототипа перед аналогами за счет оснащения установки агрегатом разделения потока перерабатываемого материала, это устройство обладает также существенными и очевидными недостатками, которые заключаются в низком КПД использования его рабочей реакционной камеры, ввиду ее принципиального несовершенства, что отражается на качестве и масс.% выхода полезного ФСМ-продукта, и ограничивает области использования известной установки для получения фуллеренов.
Технической задачей и положительным результатом предлагаемого аппарата для получения фуллеренов является существенное повышение масс.% выхода полезного продукта (фуллерена) при переработке исходного углеродсодержащего материала (УСМ); повышение производительности аппарата и снижение энергопотребления.
Указанная техническая задача и достигаемый результат получают за счет конструкции аппарата для получения фуллерена, содержащего реакционную камеру, генератор тепловой энергии, источник хладагента, вакуум-установку, нагнетательный насос, источник сжатой инертной среды, магистрали подачи исходного УСМ и отвода продуктов переработки, прибор экспресс-анализа отводимых продуктов (на соств и содержание ФСМ), контейнер сбора продуктов, при этом реакционная камера выполнена в виде полусферического полого тела, в основании которой закреплен генератор тепловой энергии, ориентирующий поток тепловой среды снизу-вверх за счет вертикального расположения оси этого генератора, верхнее сечение полусферы соединено с усеченным конусом со стороны его меньшего основания, верхнее основание этого полого конуса имеет магистраль, соединенную с бункером исходного УСМ, а кольцевой зазор между внутренней стенкой конуса и стенкой указанной магистрали соединен кольцевой щелью с каналом отвода продуктов переработки в накопительный контейнер.
При этом верхнее основание полого конуса оснащено полым телом с геометрически неравными (по высоте) стенками, образующими в своей верхней свободной части эллипс, отводящие каналы выполнены в более высокой части стенки на различной ее высоте, а полость реакционной камеры имеет патрубки для подачи инертного газа.
В аппарате, в месте соединения полусферы с основанием усеченного конуса выполнен кольцевой газовод с проточкой для наложения на истекающий газ акустических колебаний.
В аппарате генератор тепловой энергии выполнен в виде электроразрядного узла или в виде плазмотрона, или в виде экрана, стенка которого взаимодействует с потоком нейтронов, ориентированных под скользящим углом к ее поверхности (с помощью оптических нейтроноводных зеркал).
На фиг.1 показан общий вид описываемого аппарата для ФСМ;
на фиг.2 - деталь генератора тепловой энергии;
на фиг.3 - деталь кольцевого газовода реакционной камеры.
2
Аппарат для получения фуллерена содержит развитый фасонный корпус 1 (в виде разнооформленных геометрических тел), в котором размещена реакционная камера 2, выполненная в виде полусферического полого тела 3 с отверстиями 4 и 5 (среза сферы); отверстие 4 сообщено с генератором 6 тепловой энергии, в качестве которого может быть использован любой источник высокотемпературной среды (от 3000 до 10000°С), предпочтительно: электроразрядный узел, или плазмотрон, или нейтронный тепловой излучатель. Аппарат оснащен источником хладагента 7 (жидкости или СО), имеет вакуум-установку 8 для откачивания из полостей аппарата воздуха и др. аэрозолей, имеет насос 9 для подачи сжатого холодного газа от источника 7 (фиг.1); имеет источник 10 (в виде баллона) сжатого инертного газа (среды).
Сечение (отверстие) 5 камеры 2 соединено с полым конусом 11 со стороны его меньшего основания, сверху по полости конуса проходит магистраль 12 подачи исходного УСМ (в виде порошка или аэрозоля); от верхнего основания отходят стенки 13, 14 неравные по высоте, образующие сверху (в плане) эллипс 15 (косо срезанный конус), где от верхних стенок отходят магистрали 16, 17 и 18 отвода продуктов переработки, содержащих фуллерен (ФСМ). Камера 2 аппарата оснащена кольцевыми каналами 19 и 20 (фиг.1, 3) с проточками 21 для наложения акустических колебаний на проходящий по камере и истекающий в полость конуса газ, подаваемый из баллона 10. Накопление материала ведут в контейнерах 22, а экспресс-анализ продукта ведут с помощью прибора 23, например, с помощью ИПС-спектрометра.
20
42
60
70
Работа аппарата осуществляется следующим образом. Проверяют последовательность и сбалансированность описанных агрегатов и узлов аппарата: включают подачу инертного газа - 10, подают хладагент 7 для стабилизации температуры в корпусе генератора 6, после этой технологической операции подают исходный УСМ по магистрали 12 в полость конуса 11 над областью отверстия 5 камеры 2, - этим ведут тепловую обработку и возгонку исходного УСМ и его фазовые превращения для сшивки атомов в молекулы от С-С до С, С, т.е. до получения ФСМ-продуктов; частицы продуктов переработки поднимают в восходящем потоке газо-ФСМ-смеси по полости конуса 11 и по кольцевым каналам, образованным стенками 11, 13 и 14, отводят по патрубкам 16, 17 и 18 в накопительные контейнеры 22.
Подача теплового потока среды снизу-вверх от генератора 6 ведет к образованию стабильного восходящего потока, а введение в этот тепловой поток сверху из магистрали 12 исходного УСМ обеспечивает более равномерное распределение частиц УСМ в восходящем виброкипящем тепловом потоке и приводит к существенному увеличению масс.% выхода полезного ФСМ-продукта, отвод частиц которого согласуют со скоростью витания различных по массе и плотности частиц и скоростью восходящего теплового потока. Это позволяет повысить на 25-30% КПД использования реакционной камеры и генератора аппарата для получения фуллерена за счет улучшения операций процесса протекания фазовых переходов: УСМ - ФСМ-продукт.