РЕАКТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ
REACTOR FOR MAKING CARBON NANOMATERIALS

Изобретение относится к технологии получения углеродных наноматериалов, в частности нанотрубок и нановолокон, методом химического осаждения из газовой фазы.
Далее в описании используются следующие термины, которые, хотя и являются общепринятыми для специалистов в данной области техники, однако требуют уточнения в контексте заявляемого изобретения.
Термин «углеродный наноматериал» (УНМ) может означать углеродные нанотрубки (УНТ), углеродные нановолокна и другие наноструктурные формы углеродных материалов.
Термин «реактор» означает устройство, имеющее реакционную зону ограниченного объема, в которой поддерживаются необходимые условия для образования и роста углеродного наноматериала, в частности: температура, давление, состав газовой среды, наличие аэрозольных частиц или компактного слоя дисперсных частиц. Реактор может содержать две или несколько зон, условия в которых могут различаться. Реактор содержит также устройства, обеспечивающие нормальное протекание технологического процесса, в частности систему терморегуляции, устройства для ввода и вывода газов, устройства для загрузки катализатора и выгрузки углеродного наноматериала, и может содержать также другие вспомогательные устройства и элементы конструкции.
Термин «компактирование» означает, прессование под высоким давлением, уплотнение за счет устранения внутренних пустот; применение методов ультразвукового и коллекторного компактирования сухих нанопорошков для изготовления образцов нанокерамических изделий. В технологии получения углеродных наноматериалов компактирование часто технологически сочетается с обратным процессом - «разрыхлением».
Термин «Химическое осаждение углеродных наноматериалов из газовой фазы» (общепринятое английское обозначение CVD - Chemical Vapor Deposition) означает, что частицы дисперсного катализатора, или же слой катализатора, осажденный на какой-либо пористой, волокнистой или плоской подложке, приводят в контакт с газом - источником углерода, в качестве которого могут быть использованы моноксид углерода, углеводороды, спирты, амины и другие органические вещества. При соответствующих значениях технологических параметров (температура, давление, концентрации, скорости потоков компонентов) вещество - источник углерода разлагается на частицах катализатора на углерод и газообразные продукты, а выделяющийся углерод кристаллизуется в виде той или иной наноструктуры.
Известен реактор синтеза углеродных нанотрубок, который работает на принципе псевдоожиженного слоя [1-3]. Корпус реактора выполнен в виде цилиндрической колонны с расширенной частью сверху. Газовый поток, содержащий газ - источник углерода, через газопроницаемую перегородку (газораспределительную решетку) проходит снизу вверх через слой твердых частиц, состоящий вначале из частиц катализатора, а затем также из частиц растущих нанотрубок и их агломератов. Регулируя скорость потока газа, слой поддерживают в псевдоожиженном состоянии. Часть наиболее мелких частиц, которые уносятся газовым потоком из реактора, улавливают циклоном и возвращают в реактор. Рост УНТ происходит при заданной температуре, поддерживаемой с помощью нагревательного устройства и термоконтроллера. Выгрузку материала производят через трубу, отверстие которой расположено над газопроницаемой перегородкой. Через другую трубу, которая также расположена над газопроницаемой перегородкой, производят загрузку катализатора в реактор. В литературе описаны и другие варианты реактора псевдоожиженного слоя для получения углеродных нанотрубок, которые принципиально подобны описанному выше техническому решению и различаются лишь в деталях конструктивного исполнения. Достоинством реактора псевдоожиженного слоя является достаточно высокая производительность в расчете на единицу объема, поскольку, в отличие от рассмотренного выше реактора аэрозольного типа, поток газа движется относительно частиц катализатора и через слой частиц катализатора можно пропустить любой заданный объем газа-источника углерода. Время контакта в данном реакторе также не ограничено.
Недостатками рассмотренного технического решения являются следующие. Скорость потока газов через реактор определяется условиями поддержания псевдоожиженного слоя частиц катализатора вместе с растущими на них частицами УНМ. При слишком малой скорости слой перестает быть псевдоожиженным, при слишком высокой скорости газового потока твердые частицы выносятся из реактора, что вынуждает усложнять аппарат, применяя устройства для улавливания вынесенных частиц и их возврата в реактор. Эта ограниченная с двух сторон скорость газового потока может отличаться от скорости подвода газов, оптимальной для эффективного роста УНМ. Кроме того, по мере нарастания УНМ физические параметры слоя (плотность, размер частиц) меняются в десятки раз, что усложняет проблему поддержания оптимальной скорости газового потока.
Известен реактор вибротранспортного слоя [4], который состоит из наклонной трубы, в которой поддерживаются условия для роста углеродного наноматериала, устройств для загрузки порошкообразного катализатора и выгрузки углеродного наноматериала, вибропривода, устройств для ввода и вывода газов и вспомогательных устройств (печь, расходомеры газов, средства контроля и управления). В данном реакторе осуществляется противоток газа и порошкообразного материала (частицы катализатора и растущие на них частицы углеродного наноматериала), который под действием вибрации перемещается вниз по наклонной трубе. Реактор может работать в непрерывном режиме.
Недостатки этого реактора являются следующими: неэффективность передачи энергии колебательного движения частицам катализатора и углеродного наноматериала; снижение надежности реактора и его конструктивных элементов, подвергающихся вибрации при высокой температуре, а также вспомогательных устройств, которые в той или иной мере также испытывают действие вибрации; усложнение герметизация реактора и его отдельных узлов.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является реактор для получения углеродных наноматериалов, в котором твердые частицы катализатора и частицы растущих нанотрубок поддерживаются в псевдоожиженном состоянии благодаря вибрации контейнера, в котором находится катализатор и растущие углеродные нанотрубки [5, 6]. При этом расход газовых компонентов может регулироваться оптимальным образом исходя из скорости протекающих реакций и не зависит от ограничений, накладываемых условиями поддержания псевдоожиженного слоя.
Недостатком реактора по прототипу является то, что приведение массивного реактора или контейнера в колебательное движение (вибрацию) требует большой затраты энергии. При этом масса реакционного слоя, как правило, в сотни раз меньше массы колеблющихся конструкций, так что эффективность передачи энергии колебательного движения частицам катализатора и углеродного наноматериала крайне мала. Это обуславливает относительно низкую производительность реактора. Кроме того, такое техническое решение резко снижает надежность конструкций реактора, требует специального виброустойчивого исполнения элементов конструкции реактора и вспомогательных устройств, повышает вероятность поломки элементов конструкции, создает проблемы с герметизацией реактора. Как известно, при высокой температуре большинство металлических конструкционных материалов в той или иной мере подвержены водородной хрупкости, что дополнительно ускоряет появление трещин в элементах конструкции и увеличивает риск поломки. Кроме того, вибрация реакционной массы приводит к сегрегации легких и тяжелых частиц, при этом возможно расслоение реакционной массы.
В основу настоящего изобретения поставлена задача путем компактирования катализатора увеличить массу катализатора, загружаемого в реактор и устранить перечисленные недостатки реактора-прототипа.
Технический результат заключается в повышении производительности и снижении энергетических затрат.
Указанный технический результат достигается тем, что в реакторе для получения углеродных наноматериалов, содержащем корпус, систему терморегулирования, устройства для ввода и вывода газов, устройства для загрузки катализатора и выгрузки углеродного наноматериала и акустический активатор, согласно изобретению устройство для загрузки катализатора выполнено в виде решетки, на которой закреплены подвески с компактированным катализатором в виде таблеток.
Устройство для ввода газов в реактор может содержать подогреватель газа, соединенный с установленным в реакторе патрубком подачи газа, расположенным ниже подвесок с таблетками катализатора.
Излучатель акустического активатора может быть расположен в реакторе над патрубком подачи газа.
Нижняя часть реактора может быть выполнена в виде бункера, в нижней части которого установлен шнек.
В корпусе реактора может быть установлена перегородка в виде усеченного конуса.
Излучатель акустических колебаний может быть выполнен в виде акустической сирены, соединенной с реактором трубопроводом, расположенным над патрубком подачи газа.
Компактированный катализатор может быть выполнен в виде цилиндра, напрессованного на стержень подвески.
Выполнение устройства для загрузки катализатора в виде решетки, на которой закреплены подвески с компактированным катализатором в виде таблеток, обеспечивает повышение производительности реактора. Прессованные таблетки катализатора располагаются во всем объеме реакционной зоны на подвесках. Растущий на таблетках катализатора углеродный наноматериал осыпается в нижнюю часть реактора под действием колебаний газовой среды, возбуждаемой акустическим активатором. Одновременно возрастает эффективность процесса каталитического синтеза за счет интенсивного перемешивания газовой среды. Благодаря большой массе компактного катализатора, загружаемого в реактор, масса УНМ, нарастающего за один технологический цикл, весьма велика и может достигать десятков килограммов за смену. За счет увеличения продолжительности технологического цикла одновременно сокращаются энергетические затраты на производство углеродного наноматериала в пересчете на единицу веса.
Снабжение устройства для ввода газов в реактор подогревателем газа, соединенным с установленным в реакторе патрубком подачи газа, расположенным ниже подвесок с таблетками катализатора, обеспечивает подвод углеводородного газа к поверхности таблеток катализатора, что позволяет интенсифицировать процесс каталитического синтеза. Применение подогревателя газа позволяет достичь более однородного температурного поля в реакторе, утилизировать газообразные продукты пиролиза и минимизировать размеры реакционной зоны. Это позволяет не только повысить качество продукта, но и увеличить производительность реактора и уменьшить энергозатраты.
Расположение излучателя акустического активатора в реакторе над патрубком подачи газа обеспечивает передачу колебаний потоку подаваемого в реактор углеводородного газа, что позволяет интенсифицировать процесс синтеза. Генерирование акустических колебаний и их передача в реактор или же возбуждение акустических колебаний непосредственно в газовой среде внутри реактора может быть осуществлено с помощью известных в технике устройств, например вихревого свистка, акустической сирены, сирены круговых резонансных волн, электродинамических устройств или других устройств аналогичного назначения. Благодаря малой массе газа и твердых частиц катализатора и углеродного наноматериала, вовлекающихся в колебательное движение, по сравнению с массой элементов конструкции реактора, достигается высокая эффективность передачи энергии колебательного движения непосредственно частицам веществ, вовлеченных в технологический процесс. При этом передача колебаний элементам конструкции реактора незначительна вследствие большой разницы скорости звука в металлах и в газах и разницы плотности этих сред.
Выполнение нижней части реактора в виде бункера, в нижней части которого установлен шнек, позволяет вывести из реактора полученный углеродный материал сразу же после охлаждения до безопасной (около 300°С) температуры. Это исключает перегрев полученного материала, приводящий к его разложению.
Установка в корпусе реактора перегородки в виде усеченного конуса позволяет локализировать реакционную зону в реакторе и снизить нагрев полученного материала за счет подвода лучистой энергии от нагревателей. При работе реактора перегородка экранирует тепло, которое остается в реакционной зоне. Это позволяет дополнительно уменьшить потери тепла.
Выполнение излучателя акустических колебаний в виде акустической сирены, соединенной с реактором трубопроводом, расположенным над патрубком подачи газа, исключает потери энергии на вибрацию корпуса реактора и подвесок и вывести за пределы реактора излучающую часть, что повышает надежность работы реактора и его составных частей. Для работы реактора оптимальными являются акустические колебания с низкой звуковой частотой (20-1000 Гц), которые наиболее эффективно вызывают псевдоожижение дисперсных газо-порошковых систем, в том числе состоящих из агломератов наноразмерных частиц. Акустические колебания указанной частоты также эффективно разбивают крупные агломераты частиц, обеспечивая разрыхление таблеток по мере их срабатывания. Также, акустические колебания низкой звуковой частоты эффективно интенсифицируют диффузию газа в объем агломерированных частиц углеродного наноматериала, что ускоряет их рост и повышает однородность получаемого продукта.
В газовой среде реактора могут быть возбуждены как осесимметричные, так и круговые акустические волны. При этом наиболее эффективным является применение акустических колебаний, частота которых соответствует резонансной частоте собственных колебаний газа или газопорошковой массы в реакторе. В этом случае достигается максимальный эффект при минимальной мощности генератора акустических волн. Для подстройки резонанса могут быть применены устройства и системы, известные в технике.
Выполнение компактированного катализатора в виде цилиндра, напрессованного на стержень подвески, позволяет более полно обеспечивать заполнение объема реакционной зоны компактированными катализаторами. Стержни могут иметь любую форму и обеспечивать любое пространственное положение компактированного катализатора в реакционной зоне. Это способствует повышению производительности реактора.
На приведенных чертежах изображены:
фиг.1 - общий вид реактора для получения углеродных наноматериалов в разрезе,
фиг.2 - вариант реактора для получения углеродных наноматериалов в разрезе с конической перегородкой и подвеской в виде перфорированных лент;
фиг.3 - разрез реактора, что на фиг.2, вид сбоку;
фиг.4 - сечение А-А на фиг.1, показан вариант размещения таблеток катализатора;
фиг.5 - конструкция решетки;
фиг.6 - вариант выполнения таблеток с запрессованной проволочной подвеской;
фиг.7 - вид ленты для установки подвесок;
фиг.8 - сечение таблетки на фиг.1.
Перечень позиций, указанных на чертежах:
1) корпус;
2) крышка;
3) решетка;
4) подвеска
5) таблетка катализатора;
6) нагреватель;
7) теплоизоляция;
8) нагреватель газа;
9) патрубок подачи газа
10) патрубок вывода отработанного газа на рецикл;
11) шнек;
12) акустический активатор;
13) система охлаждения;
14) коническая перегородка;
15) перфорация решетки;
16) лента или планка;
17) отверстие.
Реактор синтеза углеродных наноматериалов (см. фиг.1) содержит корпус 1 с крышкой 2, в расточке корпуса 1 установлена решетка 3, на которой закреплены подвески 4 с таблетками катализатора 5. Внутри корпуса 1 помещен нагреватель 6, а на внешней его поверхности и на крышке 2 установлена теплоизоляция 7. Вне реактора помещен нагреватель газа 8, соединенный с патрубком подачи газа 9, установленным в корпусе 1 подвесками 4 с таблетками катализатора 5. Патрубок подачи газа 9 может быть выполнен в виде прямой или изогнутой перфорированной трубы. На крышке 2 помещен также патрубок 10 вывода отработанного газа на рецикл. В нижней части корпуса 1 шнек 11 для выгрузки готового продукта и на уровне нижней части подвески 4 с внешней стороны корпуса 1 помещен акустический активатор 12. В нижней части корпуса 1 размещен змеевик системы охлаждения 13. На фиг.2 и 3 показан вариант реактора с установленной в средней его части конической перегородкой 14, назначение которой - защита синтезированного продукта от нагрева лучистой энергией. Решетка 3 снабжена перфорацией 15. На фиг.6 и 7 показан вариант компактирования катализатора в форме цилиндра 5, напрессованного на стержень подвески 4, закрепляемых на решетке 3 посредством металлических лент или планок 16 с отверстиями 17.
Реактор работает следующим образом.
Перед работой в расточке корпуса 1 устанавливается решетка 3 с подвесками с таблетками катализатора 4, как показано на фиг.1. Таблетки 5 могут изготавливаться из катализаторов различных марок либо с каналами для установки на подвеске, либо напрессовываться на стержни, как показано на фиг.6, являющимися частью подвески 4, включающей ленты или планки 16 с отверстиями 17, либо могут укладываться в гнезда подвески (не показано) и т.д. После установки решетки 3 корпус 1 закрывается крышкой 2 и в полость реактора через патрубок 9 подается аргон или другой инертный газ для удаления из нее атмосферного воздуха, так как в смеси кислорода воздуха с метаном или другим углеводородным газом в полости реактора может образоваться взрывоопасная смесь, что недопустимо, исходя из правил техники безопасности. Инертный газ удаляется через патрубок 10 подачей в реактор по патрубку 9 углеводородного газа. После этого включаются нагреватель 6 и нагреватель газа 8. Подогретый углеводородный газ подается через патрубок 9 и на поверхности таблеток 5 происходит процесс каталитического пиролиза с образованием углеродных нанотрубок. Газообразные продукты пиролиза через отверстия решетки 3 и патрубок 10 удаляются из реактора и после очистки вновь подаются на вход нагревателя 8. После образования начального слоя синтезируемого материала включается акустический активатор 12, излучение которого не только интенсифицирует процесс каталитического синтеза за счет интенсивного перемешивания подаваемого углеводородного газа, но и обеспечивает отделение синтезированного материала от таблеток 5. Полученные углеродные материалы, отделенные от таблеток 5, осаждаются в нижней охлаждаемой части реактора 1 и удаляются из него шнеком 11.
После окончания процесса синтеза прекращается подача углеводородного газа, отключаются нагреватели 6, нагреватель газа 8 и акустический активатор 12, включается система охлаждения 13. После охлаждения реактора до безопасной температуры снимается крышка 2. Из расточки корпуса 1 удаляется решетка 3 с отработанными таблетками 5 и на решетке 3 устанавливаются подвески 4 с новыми таблетками 5. После этого вновь включается реактор, как это описано выше.
Изобретение обеспечивает повышение производительности реакторов для промышленного производства углеродных наноматериалов, в частности углеродных нанотрубок.
Литература
1. Morancais A., Caussat В., Kihn Y., Kalck P., Plee D., Gaillard P., Bernard D., Serp P. A parametric study of the large scale production of multi-walled carbon nanotubes by fluidized bed catalytic chemical vapor deposition // Carbon, 2007, vol.45, p.624-635.
2. Wang Y., Wei F., Luo G., Yu H., Gu G. The large-scale production of carbon nanotubes in a nano-agglomerate fluidized-bed reactor // Chemical Physics Letters, 2002, vol.364, p.568-572.
3. Yu H., Zhang Q., Wei F., Qian W., Luo G. Agglomerated CNTs synthesized in a fluidized bed reactor: Agglomerate structure and formation mechanism // Carbon, 2003, vol.41, p.2855-2863.
4. Раков Э.Г. Методы непрерывного производства углеродных нановолокон и нанотрубок // Химическая технология, 2003, №10, с.2-7.
5. Ткачев А.Г., Золотухин И.В. Аппаратура и методы синтеза твердотельных наноструктур. Москва, «Издательство Машиностроение-1», 2007. - 316 с. - Раздел 6.2.
6. Мищенко С.В., Ткачев А.Г. Углеродные наноматериалы. Производство, свойства, применение. - М.: «Машиностроение», 2008. - 320 с. - Раздел 2.2.