РЕАКТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО УГЛЕРОДНОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ТЕХНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА

Полезная модель относится к устройствам для производства наноструктурированного углеродного материала на основе технического углерода и может использоваться в различных отраслях промышленности, в частности в химической, электротехнической и других.
Наноструктурированный углеродный материал на основе технического углерода содержит технический углерод в смеси с другими углеродными наноструктурами, такими как углеродные нанотрубки и нановолокна, фуллерены, луковичные структуры и т.п.
Сам по себе технический углерод - также наноструктурированный углеродный материал. Он преимущественно используется для улучшения эксплуатационных свойств полимеров, или резин в качестве наполнителя. Но улучшение при увеличении содержания техуглерода возможно только до некоторого предела, определяемого количеством техуглерода которое можно ввести в полимеры или резинотехнические изделия. В значительной степени улучшить свойства полимеров или резинотехнических изделий сверх этого предела способно наличие в составе наполнителя небольшого количества, порядка 1%, протяженных углеродных ноноструктур. Однако, использование в качестве наполнителя вместо технического углерода других углеродных наноструктур, например, углеродных нанотрубок не выгодно, так как стоимость их производства очень высока.
Вместе с тем, существует потребность в недорогих наполнителях, содержащих наряду с техническим углеродом другие углеродные наноструктуры. Стоит отметить, что простое смешивание технического углерода с другими углеродными наноструктурами неэффективно, так как получаемый таким образом материал неоднороден.
Имеется потребность в технических решениях, позволяющих получать однородные наноструктурированные углеродные материалы на основе технического углерода, содержащие помимо него и другие углеродные наноструктуры. Важно, чтобы получение таких материалов происходило в одном технологическом процессе, например, непосредственно в процессе синтеза технического углерода.
Промышленное производство наиболее широко применяемого углеродного наноструктурированного материала - технического углерода, осуществляют в специальных печах, или химических реакторах путем термического разложения углеводородного сырья в турбулентном потоке.
Известен, например, реактор для получения углеродного наноструктурированного материала - технического углерода, содержащий последовательно установленные камеру горения со средствами для сжигания топлива с воздухом, многоканальное смесительное сопло со средствами для ввода сырья, камеру со средствами для охлаждения сажегазовых продуктов, у которого многоканальное сопло выполнено из огнеупорного материала с теплопроводностью 1,5-4,8 Вт/(м·К) и теплоемкостью 0,7-1,08 кДж/(кг·К), при этом длина канала составляет 2-5 его диаметров, а вокруг многоканального смесительного сопла расположен теплоизоляционный слой [Патент РФ №2179564 МПК C09C 1/48, C09C 1/50]. Этот реактор не позволяет получать упомянутый выше наноструктурированный углеродный материал на основе технического углерода.
2
Известен другой реактор для получения углеродного наноструктурированного материала - сажи с размером частиц 110-600 ангстрем, содержащий последовательно установленные камеру горения со средствами сжигания топлива с воздухом, смесительное сопло с сырьевыми форсунками и реакционную камеру со средствами для охлаждения сажегазовых продуктов, причем смесительное сопло имеет многоканальную форму с общей площадью проходного сечения сопла 0,036-0,36 м при отношении диаметра канала к диаметру общей площади проходного сечения 0.35-0.72 [Патент РФ №2131766, МПК B01J 10/00, C09C 1/48, C09C 1/50].
Этот реактор также не позволяет получать упомянутый выше наноструктурированный углеродный материал на основе технического углерода.
Известен другой реактор для получения углеродного наноструктурированного материала - сажи, содержащий последовательно и соосно установленные камеру горения со средствами для сжигания топлива с воздухом, смесительное сопло с сырьевыми и водными форсунками, расположенными на расстоянии, равном 4-8 диаметров смесительного сопла от места ввода сырья, и реакционную камеру со средствами для закалки сажегазовых продуктов, отличающийся тем, что смесительное сопло реактора дополнительно снабжено форсунками для подачи воды, расположенными радиально на расстоянии, равном 1 1,75 диаметра смесительного сопла [Патент РФ №2077544, МПК C09C 1/48]
Этот реактор является ближайшим аналогом предлагаемого и принят за прототип полезной модели.
Его недостатком является то, что он способен производить наноструктурированный материал, состоящий только из технического углерода без других углеродных наноструктур в его составе,
Полезная модель решает задачу создания реактора, предназначенного для производства наноструктурированного углеродного материала на основе технического углерода, содержащего помимо технического углерода, другие углеродные наноструктуры: нановолокна, нанотрубки, фуллерены, нанолуковицы, и дугие.
Поставленная задача решается тем, что предлагается реактор для получения наноструктурированного углеродного материала, включающий последовательно установленные: камеру горения, имеющую вход для углеводородного топлива и воздуха, или кислорода и выход для продуктов сгорания, сопло, соединенное своим входом с выходом камеры горения и снабженное сырьевыми форсунками, реакционную камеру, соединенную своим входом с выходом названного сопла, и имеющую выход для целевых продуктов; причем он снабжен средством смешения углеводородного сырья и предшественника катализатора роста углеродных наноструктур, которое соединено своим выходом с входами сырьевых форсунок.
Перед камерой горения может быть установлена камера смешения углеводородного топлива и с кислородом.
Реакционная камера может быть снабжена средством для впрыска воды.
Средство смешения углеводородного сырья и предшественника катализатора роста углеродных наноструктур может быть выполнено в форме емкости, снабженной входом для углеводородного сырья, входом для предшественника катализатора и выходом для их смеси. Эта емкость может быть обогреваемой.
Камера горения может быть оснащена входом для инертного газа, или азота, или водорода, или диоксида или монооксида углерода.
Средство смешения углеводородного сырья и предшественника катализатора роста углеродных наноструктур может быть выполнено со средством предварительного смешения предшественника катализатора с разбавителем.
Реактор может быть снабжен дополнительной реакционной камерой для получения протяженных углеродных наноструктур, таких как углеродные нанотрубки, и/или их зародышей, которые представляют собой металлическую наночастицу катализатора с «шапочкой» из пяти- и шестиугольников из атомов углерода или с поднимающейся полусферой из атомов углерода с поверхности. Дополнительная реакционная камера соединена с основной реакционной камерой таким образом, чтобы названные углеродные наноструктуры и/или их зародыши поступали в основную реакционную камеру. Дополнительная камера включает вход для предшественника катализатора роста углеродных наноструктур и углеводородного сырья.
Предлагаемый реактор изображен на фиг. 1 и фиг. 2.
На фиг. 1 средство смешения расположено в корпусе реактора, а на фиг. 2 - вне корпуса реактора, где: 1 - камера горения, 2 - кислород или воздух, 3 - углеводородное топливо, 4 - сопло, где происходит формирование рабочей смеси, 5 - конфузор, 6 и 7 - сырьевая форсунка, 8 - реакционная камера, 9 - емкость смесителя, 10 - вход для углеводородного сырья, 11 - вход для предшественника катализатора роста углеродных наноструктур, 12 - средство для впрыскивания воды, 13 - выход для целевых продуктов.
На фиг. 3 представлен вариант реактора, в котором средство смешения углеводородного сырья и предшественника катализатора роста углеродных наноструктур содержит также средство предварительного смешения предшественника катализатора с разбавителем - 14. Разбавителем в этом варианте является углеводородное сырье 10.
Реактор работает следующим образом. В камеру горения 1 поступает кислород 2 и углеводородное топливо 3, где топливо сгорает и формируется поток газообразных продуктов сгорания с температурой 1000-3150°C, который поступает в смесительное сопло 4 через конфузор 5. При этом поток ускоряется, так как диаметр смесительного сопла меньше диаметра камеры горения.
В емкость средства смешения 9 поступает углеводородное сырье 10 и предшественник катализатора роста углеродных наноструктур 11. Емкость может подогреваться для обеспечения лучшего растворения в углеводородном сырье предшественника катализатора роста углеродных наноструктур. Также средство смешения может быть оснащено средством предварительного смешивания предшественника катализатора с разбавителем 14. Это средство выполняется в виде обогреваемой емкости. Разбавителем может служить углеводородное сырье 10, или бензол, или толуол, или нефрас, или любое другое ароматическое сырье. Насыщенный раствор предшественника катализатора в разбавителе поступает в основную емкость средства смешения, где смешивается с углеводородным сырьем 10. Далее из названной емкости смесь сырья с предшественником катализатора поступает через форсунки 6 и 7 в высокоскоростной высокотемпературный поток продуктов сгорания. Форсунки целесообразно располагать друг напротив друга на одинаковом расстоянии от входа в сопло. Для улучшения распыления сырья можно использовать четное количество сырьевых форсунок. Сырьевые форсунки в сопле располагаются попарно друг напротив друга для однородного распределения сырья в газовом потоке. Например, если сырье подается через 4 форсунки, то последние располагаются попарно на 2-х расстояниях от входа в сопло. Количество форсунок не ограничивается двумя или четырьмя, оно может быть достаточно большим: 10, 20 и т.д. в зависимости от размеров реактора и требований к однородности распыления сырья. Попарное расположение форсунок в одном сечении так же не обязательно. При больших размерах реактора они могут располагаться по 3 или 4, или более.
Рабочая смесь может быть приготовлена в одном объеме, из которого подается на все сырьевые форсунки, или для каждой группы форсунок может быть предусмотрена своя смесительная емкость.
Из сопла рабочая смесь поступает в реакционную камеру 8. В реакционной камере одновременно протекают следующие процессы: разложение углеводородного сырья, образование катализатора из предшественника катализатора, образование протяженных углеродных наноструктур, включающих в себя углеродные нанотрубки, и образование технического углерода.
В реакционной камере может осуществляться закалка полученных продуктов путем впрыска в нее воды через средство 12.
Полученный в реакционной камере материал выходит из нее через выход 13, где фильтруется для отделения твердой и газообразной фракций. Полученный материал состоит из протяженных углеродных наноструктур (нитевидные волокна, одностенные и многостенные нанотрубки) и углеродных структур сферического типа (частицы техуглерода, луковичные структуры) морфология которых, то есть протяженность, характерный диаметр, поверхностная и внутренняя структура, а также доля в составе получаемого материала, определяются условиями проведения синтеза.