УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ФУЛЛЕРЕНСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к техническим средствам, предназначенным для производства фуллеренсодержащих материалов путем переработки углеродсодержащего материала в рабочей камере установки.
Технология получения фуллеренсодержащего материала определяет развитие технических средств, из которых в настоящее время наиболее близких по конструктивной сущности к изобретению является установка для производства фуллеренсодержащих материалов, содержащая корпус, реакционную камеру с реакционной зоной для переработки исходного углеродсодержащего материала, узел подачи этого исходного материала в рабочую камеру, магистраль подачи этого материала в реакционную зону, магистраль подачи в реакционную зону камеры и в полость этой камеры потока нейтрального газа. электроразрядный узел в реакционной зоне камеры, канал отвода продуктов переработки исходного углеродсодержащего материала из полости реакционной камеры и канал отвода от реакционной камеры установки получаемого фуллеренсодержащего материала /1/.
Обладая более высокими техническими и технологическими показателями перед аналогами, эта установка для производства фуллеренсодержащих материалов имеет также существенные и очевидные недостатки, заключающиеся в ее принципиальной конструктивной схеме и ее принципиальной работе, где в конструкции установки отсутствуют агрегаты по организации и контролю всего процесса переработки исходного материала, транспортировки потока получаемого фуллеренсодержащего материала и разделения его в общем и частных потоках на составляющие компоненты: фуллерены, пироуглерод и шлак. Эти конструктивные и технологические недостатки существенно понижают производительность и эффективность данной установки и сужают сферы ее производственного использования в высокоэффективных процессах, использующих
фуллеренсодержащие материалы и выделенные фуллерены.
Технической задачей и техническим результатом данного изобретения является совершенствование конструктивных и технологических показателей установки для производства фуллеренсодержащих материалов, и, вместе с этим, - увеличение производительности и эффективности установки за счет совершенствования ее агрегатов и узлов и оснащения дополнительными конструктивными элементами, повышающими показатели установки в технологии производства фуллеренсодержащих материалов и отдельных компонентов этих материалов.
Эта задача и результат в изобретении достигается за счет того, что установка для производства фуллеренсодержащих материалов содержит корпус, реакционную камеру с реакционной зоной для переработки исходного углеродсодержащего материала, узел подачи этого исходного материала, магистраль подачи в полость реакционной камеры потока нейтрального газа, электроразрядный узел в реакционной зоне камеры, канал отвода продуктов переработки исходного углеродсодержащего материала из полости реакционной камеры и канал отвода от реакционной камеры установки фуллеренсодежащих материалов, при этом установка снабжена устройством для приема отводимого от реакционной камеры фуллеренсодержащего материала, включающего классы фуллеренов, пироуглерод и шлак, это устройство соединено с каналом отвода камеры установки, камера также снабжена газонаполняемой рубашкой, примыкающей к реакционной камере и предназначенной для подачи дополнительного потока нейтрального газа но периферии полости реакционной зоны камеры, при этом устройство для приема отводимого фуллеренсодержащего материала выполнено в виде диффузора и его раскрывающиеся стороны направлены по ходу движения отводимого из полости камеры фуллеренсодержащего материала, стенки этого устройства имеют врезанные по касательной и под углом к продольной оси установки патрубки, соединенные с источником сжатого газа, за этими патрубками, по ходу отводимого фуллеренсодержащего материала, в устройстве выполнена тупиковая камера с размещенным по направлению продольной
оси установки рассекателем-завихрителем набегающего на него отводимого потока фуллеренсодержащего материала, имеющим полый перфорированный стержень, соединенный своей полостью с каналом отвода основной массы шлака, отбираемого из массы набегающего потока отводимого фуллеренсодержащего материала, боковая стенка устройства совместно с отходящей от тупиковой камеры стенкой образуют колцевой канал конической формы, имеющий на своем выходе расширяющееся сечение (отверстие), заканчивающееся несколькими магистралями для отвода каждого класса фуллерена, а также - отвода пироугдерода и отвода шлака, которые отводят отдельно по своим магистралям.
При этом установка и ее устройство имеют днище, ограничивающее с торца кольцевой канал, с днищем соединены магистрали отвода фуллеренов по их классам, а магистраль отвода пироуглерода и магистраль отвода шлака соединены с наружной боковой стенкой этого кольцевого канала.
Преимущественно угол расширения стенки кольцевого конического канала выбирают но отношению к продольной оси установки в пределах 10-30°, угол примыкания днища этого кольцевого канала по отношению к нормали, пересекающей продольную ось установки, выбирают в пределах 10-20°, а углы осей магистралей отвода пироуглерода и отвода шлака выбирают по отношению к стенке их примыкания в пределах 60-75°. Причем магистрали отвода фуллеренов выполняют последовательно
удаляющимися от продольной оси установки, магистраль отвода пироуглерода выполняют на границе торцевой и боковой стенок, а магистраль отвода шлака выполняют в боковой стенке перед магистралью отвода пироуглерода.
А входные сечения указанных магистралей выполняют криволинейными с расширяющейся заборной частью, сообщающей с полостью указанного кольцевого канала.
Описываемая установка для производства фуллеренсодержащих материалов раскрывается далее на чертежах, где на фиг.I показана конструкция установки с разрезом по направлению продольной оси;
на фиг.2 - кольцевой конический канал и магистрали отвода;
на фиг.3 и фиг.4 указаны сечения 1-1 и II-II на фиг.1.
Установка для производства фуллеренсодержащих материалов содержит корпус I (фиг.1), в котором размещена реакционная камера 2, а в ее центральной части выполнена реакционная зона 3, предназначенная для переработки исходного углеродсодержащего материала (преимущественно выбранного в виде порошка). Реакционная камера сообщена с узлом 4 подачи этого исходного материала (узел подачи на чертеже не раскрыт, как не являющийся определяющим; он может быть выбран в виде подающего дозатора). Полость камеры с помощью магистралей 5 соединена с ресивером подачи нейтрального газа (или Не, или Аr, или Кг) в реакционную зону 3 для создания направленного потока этого газа вместе с захватываемым им из полости реакционной зоны продуктом переработки исходного порошка углеродсодержащего материала.
Реакционная камера имеет электроразрядный узел 6 в своей реакционной зоне 3, сформированный за счет электродов 7, имеющих дугообразную форму и размещенного между ними электрода 8, имеющего обтекаемую форму для возможности плавного невихревого обтекания его потоком газа и продуктом переработки исходного материала, что делает более равномерных воздействие высокотемпературным полем от электроразряда на поток перерабатываемого исходного материала и формирование плавного невозмущенного потока продуктов переработки из полости реакционной камеры в канал 10 отвода этих продуктов переработки. Канал 10 отвода продуктов переработки из реакционной зоны камеры соединен далее с каналом II отвода этих продуктов от реакционной камеры на процесс сортировки и использования.
Для эффективного процесса разделения, сортировки, накопления и отвода составляющих компонентов продуктов переработки -фуллеренсодержащих материалов установка для производства таких материалов снабжена устройством для приема отводимого от реакционной камеры установки фуллеренсодержащего материала (включающего классы фуллеренов - по их фракциям, пироуглерод и шлак). Это устройство - 12 имеет оригинальную конструктивную схему с развитой системой газововодов, подающих нейтральный газ, и систему отвода и распределения
фуллеренсодержащих продуктов переработки. Для этого устройство 12 соединено с полостью камеры 2 посредством канала отвода продуктов переработки. При этом сама камера 2 оснащена газонаполняемой рубашкой 13 (фиг.1), питаемой по магистралям 14 нейтральным газом. Рубашка 13 примыкает к реакционной камере 3 и ее электродам 7 и предназначена для подачи дополнительного (к потоку - помагистралям 5) потока нейтрального газа по периферии полости реакционной зоны камеры. что позволяет обработать поверхности электродов 7 этим потоком газа и его ионизировать, подготовив к участию в формировании потока продуктов переработки из камеры I в устройство 12.
Устройство 12 для приема отводимого из камеры фуллеренсодержащего материала выполнено в виде диффузора 15 и его раскрывающиеся стороны (фиг.1 и 2) направлены по ходу движения отводимого из полости камеры фуллеренсодержащего материала. Стенки этого устройства имеют патрубки 16, врезанные по касательной (фиг.3) и под углом (фиг.1) к продольной оси установки. Патрубки соединены с источником сжатого нейтрального газа, по которым сжатый газ подают для создания циклонического вихря (фиг.3 - момент "М" вращения газа) и одновременного продвижения этого вихря по ходу потока фуллеренсодержащего материала, что позволяет организовать четкое распределение различных фракций (классов фуллеренов, пироуглерода, шлака) по им соответствующим расходящимся кольцевым орбитам устройства, в котором выполнена тупиковая камера 17, а в ее начале размещен рассекатель-завихритель 18 набегающего потока фуллеренсодержащего материала, отводимого из камеры и проходящего полости устройства по направлению его продольной оси, совпадающей с продольной осью камеры (ось всей установки фиг.1). Этот рассекатель-завихритель 18 имеет полый перфорированный стержень 19, отверстия которого 20 и отверстия, выполненные на тыльной стенке рассекателя-завихрителя, предназначены для забора и отвода основной массы шлака, отбираемого из потока фуллеренсодержащего материала(показано стрелкой). Боковая стенка 21 устройства образует совместно с отходящей
от тупиковой камеры 17 стенкой 22 образуют кольцевой (фиг.1, 2) конической формы канал (вид сверху на фиг.1), показанный в сечении и на развороте фиг.2, где стенки 21 и 22 являются продолжением стенок 21 и 22 фиг.1 (конструктивно на фиг.2 показано в более крупном масштабе. Кольцевой конической формы канал, образованный стенками 21 и 22 переходит далее в канал 23 с расширяющимся поперечным сечением (фиг.2), где его стенки 24 и 25 (являющиеся продолжением стенок 21 и 22) расходятся, обеспечивая свободное витание частиц фуллеренсодержащего материала по законам витания их согласно размерам частиц, весам этих частиц, их ориентированию в вихревом потоке, отходящем из канала 21-22. Расширяющийся канал 23 заканчивается несколькими каналами-магистралями для отвода каждого отдельного компонента, выделяемого из общего потока фуллеренсодержащего материала.
60
70
70
60
84
70
Эти магистрали отходят от торцевой стенки - днища (фиг.2) и от боковой стенки, примыкающей к тоцевой - днищу с внешней стороны (по фиг.1) установки. При этом магистраль 26 предназначена, преимущественно, для отвода фуллерена C (с незначительным содержанием, до 10%, С); магистраль 27 - для отвода фуллерена, преимущественно, С (с незначительным, до 12%, содержанием С, и содержанием С - 0,2-0,1%); магистраль 28 - для отвода фуллерена 0,7004 (с содержанием С около 15%). отвод пироуглерода с остаточным, около 5-7%, содержанием фуллеренового экстракта (смеси фуллеренов) осуществляется по магистрали 29, а отвод шлака -по магистрали 30. Для более точного ориентирования соответствующих фракций компонентов фуллеренсодержащего материала угол расширения, образуемый между стенкой 21 кольцевого конического канала по отношению к продольной оси установки (т.е. между стенкой 21 и осью установки, фиг.2) выбирают в пределах 10-30°; угол примыкания днища этого кольцевого канала по отношению к нормали, пересекающей (под прямым углом) продольную ось установки выбирают в пределах 10-20°; а углы осей магистралей 29 и 30 отвода пироуглерода и шлака выбирают по отношению к стенке 21 их
примыкания выбирают в пределах 60-75°. Такие углы обеспечивают более точное ориентирование частиц компонентов материала и более чистый по фракции отводимый компонент из продуктов переработки.
Работа установки осуществляется следующим образом. В реакционную зону 3 камеры 2 подают по магистралям 5 и 14 нейтральный газ, на электроды 7-8 подают ток (около 150-300 А при 30 В) и подают исходный материал, в качестве которого берут графитовый порошок (из узла его подачи - 4). Осуществляют возгонку порошка в парогазовую фазу, которую в потоке нейтрального газа подают в устройство 12, где этот поток подвергают резкому расширению в его поперечном сечении и одновременно на него воздействуют циклоническим вихрем от подаваемого по патрубкам 16 (фиг.1, фиг.3), - это приводит к четкой ориентации частиц компонентов фуллеренсодержащего материала в потоке этого расширяющегося циклонического вихря, из которого с помощью перфорированного стержня 19 отводят значительную часть шлака, а остальной поток этого материала далее подают в кольцевой конический канал между стенками 21 и 22 в канал 23, где, как отмечено по ходу описания установки, ведут более полное окончательное разделение материала на составляющие его компоненты и отводят каждый компонент по соответствующей магистрали: 26, или 27, или 28, или 29, или 30 (указано ранее).
В своей работе описанная установка использует физические методы воздействия на исходный материал, а также физические методы его возгонки, переработки, транспортирования, разделения и отвода для использования по прямому назначению, что позволяет максимально повысить качество получаемых отдельных компонентов и полностью сохранить их первоначальные свойства (после выхода из полости реакционной камеры), которые сохраняют за счет оригинальной совершенной конструктивной схемы установки, имеющей более высокую производительность (на 27-33%) и более высокую эффективность (по рентабельности экспериментальной установки - 135%) по сравнению с наиболее эффективными аналогами - устройствами для получения фуллеренсодержащего материала на основе тепловой возгонки исходного материала.
Установка для производства фуллеренсодержащих материалов к заявке № 2003119702/20