РЕАКТОР НЕПРЕРЫВНОГО СИНТЕЗА УГЛЕРОДНЫХ СТРУКТУР

Полезная модель относится к оборудованию синтеза волокнистых углеродных материалов методом газофазного химического осаждения углерода в процессе пиролиза ароматических, и неароматических углеводородов и может быть использована для крупнотоннажного синтеза наноструктурированных углеродных материалов.
Технология получения волокнистых углеродных материалов заключается в проведении пиролиза углеродсодержащих газов, либо углеродосодержащих материалов в присутствии металл-металлоксидных катализаторов, преимущественно на основе ультрадисперсных переходных 3d металлов (никеля, железа, кобальта), либо сплавов на их основе с последующим охлаждением продуктов пиролиза.
В патенте США №5165909, МПК D01F 9/10, 1992 г. предпочтение отдано таким газам, как ацетилен (температура карбонизации 500°С) и метан (температура карбонизации ниже 1000°С). Согласно патенту пиролиз проводится в вертикальной печи, в верхней части которой расположены патрубок подачи углеводородного газа, ленточные нагреватели и бункер с катализатором. В нижней части бункера с катализатором установлен питательный клапан, который подает в реакционную зону печи катализатор в виде порошкообразного никеля с добавлением алюминия. В нижней части расположен второй патрубок подачи углеводородного, газа. Расстояние между питающим клапаном и вторым патрубком подачи углеводородного газа является реакционной зоной, ниже которой расположено основание печи, снабженное фильтром, являющимся сборником готового продукта перед его выгрузкой.
Однако в такой печи полученные продукты пиролиза подвергаются длительному нагреву циркулирующим горячим газом, содержащим смесь углеводородного газа, продуктов пиролиза и катализатора, что может привести к термическому разложению готового продукта. Другим недостатком известного устройства является невозможность контроля процесса синтеза и жесткого управления, например таким параметром как время пребывания катализатора в реакционной зоне. Это приводит к снижению эффективности синтеза наноструктурных углеродных материалов в целом.
Указанные недостатки обусловлены конструктивными признаками известного технического решения.
Известен также реактор для исследования процесса получения волокнистых углеродных структур (патент РФ на полезную модель №67096, D01F 9/10, 2007 г.), содержащий соединенный с трубопроводом подачи углеводородного газа корпус, в котором установлены нагреватели, при этом корпус выполнен из оптически прозрачного материала и снабжен уплотнительным элементом, нагреватель выполнен в виде цилиндрической обечайки, в которой помещена кювета в виде колбы с крышкой, в которой установлен трубопровод подачи углеводородного газа, и между нагревателями и кюветой помещены датчики для измерения электропроводности. На противоположной уплотнительному элементу стенке реактора выполнены газоотводящие каналы. Нагреватель закреплен на керамическом фланце, снабженном каналом для пропуска трубопровода подачи углеводородного газа. Крышка кюветы снабжена газоотводящими каналами. Реактор снабжен оголовком со штуцерами подачи рабочих и вспомогательных газов. Датчики для измерения электропроводности соединены с преобразователем электрических сигналов.
Такое выполнение реактора не позволяет проводить непрерывное синтез материала в процессе проведения каталитического пиролиза.
По совокупности общих признаков в качестве прототипа выбрано устройство по патенту США №5165909, МПК D01F 9/10, 1992 г.
Технический результат, обеспечиваемый полезной моделью, состоит в организации контролируемого и управляемого непрерывного процесса синтеза волокнистых углеродных материалов.
Указанный результат достигается тем, что в реакторе непрерывного синтеза углеродных структур, содержащим корпус с нагревателями, соединенный с линиями подачи углеродсодержащего и инертного газа, линией подачи пылевидного катализатора и линией отвода газообразных продуктов пиролиза, согласно полезной модели в корпусе установлена газопроницаемая перегородка, над которой помещены устройства для подачи углеродсодержащего газа и пылевидного катализатора, а линия отвода газообразных продуктов пиролиза соединена с корпусом под газопроницаемой перегородкой.
Корпус дополнительно соединен с бункером готового продукта, расположенным под газопроницаемой перегородкой и соединенным с линией подачи инертного газа.
Нагреватели установлены на внешней поверхности корпуса.
Линия подачи углеродсодержащего газа и линия отвода газообразных продуктов пиролиза соединены между собой через теплообменник-рекуператор.
Линия подачи гранулированного или пылевидного катализатора выполнена в виде распределенной в верхней части корпуса системы трубопроводов.
В линии отвода газообразных продуктов пиролиза установлено дросселирующее устройство.
Между отличительными признаками и достигаемым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь.
Установка в корпусе газопроницаемой перегородки, над которой помещены устройства для подачи углеродсодержащего газа и пылевидного катализатора, и соединение линии отвода газообразных продуктов пиролиза с корпусом под газопроницаемой перегородкой обеспечивает организацию непрерывной или импульсной подачи катализатора и непрерывной или импульсной выгрузки материала механическим устройством (подвижной газопроницаемой перегородкой), что позволяет организовать непрерывный процесс синтеза волокнистых углеродных материалов и контролировать один из ключевых параметров - время контакта, которое определяет как производительность оборудования в целом, так и качественные показатели, например длина одиночных волокнистых структур.
Соединение дополнительно корпуса с бункером готового продукта, расположенным под газопроницаемой перегородкой и соединенным с линией подачи инертного газа обеспечивает выведение готового продукта из реакционной зоны и исключает попадание вместе с ним реакционного газа, что обеспечивает повышение качества продукта.
Установка нагревателей на внешней поверхности корпуса обеспечивает резистивный обогрев реакционной зоны через стенку аппарата нагревателями позволяют с одной стороны обеспечить требуемую мощность нагрева при минимальных габаритах, а другой стороны возможность точного измерения количества подведенной к реакционному газу и к катализатору тепла. Исходный газ поступает в реактор с постоянной скоростью и нагревается до заданной температуры. Это позволяет достаточно точно определять количество тепла, расходуемого на нагрев газа. Измерение количества тепла, расходуемого на нагрев катализатора, также может определяться с высокой точностью, так как известны температура и масса катализатора. За счет этого достигается обеспечение возможности контроля процесса получения волокнистых углеродных материалов и управление их качественными параметрами во время синтеза.
Соединение линия подачи углеродсодержащего газа и линии отвода газообразных продуктов пиролиза соединены между собой через теплообменник-рекуператор обеспечивает предварительный нагрев продукционного газа отходящими газообразными продуктами пиролиза.
Выполнение линии подачи гранулированного или пылевидного катализатора в виде распределенной в верхней части корпуса системы трубопроводов обеспечивает равномерное нанесение на поверхность ранее синтезированного наноструктурного углеродного материала.
Установка в линии отвода газообразных продуктов пиролиза дросселирующего устройства обеспечивает проведение непрерывного процесса каталитического пиролиза при постоянном давлении. Одновременно исключается попадание в полость реактора воздуха, тем самым, обеспечивая возможность контроля и управления качественными параметрами синтеза.
По имеющимся у заявителя сведениям, совокупность существенных признаков заявляемой полезной модели не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию "новизна".
Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность полезной модели, может быть многократно использована в производстве промышленных реакторов для синтеза волокнистых углеродных материалов с получением технического результата, заключающегося в обеспечении непрерывного процесса синтеза при условии контроля и управления количественными и качественными характеристиками полученных продуктов каталитического пиролиза, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию "промышленная применимость".
Сущность заявляемой полезной модели поясняется примером конкретного выполнения, где
на фиг.1 показан общий вид реактора в разрезе;
на фиг.2 показана конструкция штыревой решетки.
Перечень позиций на указанных чертежах:
1. корпус;
2. бункер;
3. нагреватель электрический;
4. перегородка газопроницаемая;
5. привод поворота;
6. линия подачи углеродсодержащего газа;
7. линия подачи катализатора;
8. патрубок отбора газообразных продуктов пиролиза;
9. линия подачи инертного газа;
10. теплообменник-рекуператор;
11. система трубопроводов линии подачи катализаторов;
12. дроссель;
13. кольцевая конусная камера;
14. горловина бункера.
Реактор представляет собой систему расположенных друг под другом корпуса 1 и бункера готового материала 2. На внешней стенке корпуса установлены электрические нагреватели 3. В средней части корпуса 1 установлена газопроницаемая перегородка 4, обладающая управляемой проницаемостью для углеродного наноматериала и соединенная с приводом поворота 5. Над газопроницаемой перегородкой в корпусе 1 установлены патрубки, соединенные с линией подачи углеродсодержащего газа 6 и линией подачи катализаторов 7. Нижняя часть корпуса 1 под газопроницаемой перегородкой 4 соединена с линией отбора газообразных продуктов пиролиза 8. Бункер 2 соединен с линией подачи инертного газа 9. Линия подачи углеродсодержащего газа 6 и линия отбора газообразных продуктов пиролиза 8 соединены с теплообменником-рекуператором 10. Линия подачи катализатора 7 соединена с системой трубопроводов 11, расположенных в верхней части корпуса 1. В линии отбора газообразных продуктов пиролиза 8 установлен дроссель 12. Между корпусом 1 и бункером 2 может быть установлена вставка в виде кольцевого конусного канала 13, присоединенная к горловине бункера 14. На фиг.2 показан один из возможных вариантов осуществления газопроницаемой перегородки 4, имеющей управляемую проницаемость для углеродного наноматериала. Перегородка состоит из параллельно расположенных валов 15, на которых установлены штыри 16. Штыри 16 могут иметь круглое, прямоугольное, или другое сечение. Концы валов 15 выходят за пределы корпуса 1 через сальники (не показаны) и имеют механический привод поворота 5, который обеспечивает непрерывное, периодическое, или непрерывно-периодическое вращение валов 15 вокруг своих осей в одну или попарно-противоположные стороны. Когда штыри 16 ориентированы вдоль плоскости перегородки 4, как показано на фиг.2, они образуют плотную сетку, через которую углеродный наноматериал не просыпается. При этом газ свободно проходит через перегородку 4. Такое поведение углеродных наноматериалов, в частности нанотрубок, наблюдается экспериментально и обусловлено характерной тенденцией волокнистых частиц и их агломератов сцепляться друг с другом. Однако, при повороте валов 15 происходит раскрытие ячеек сетки, механическая мобилизация углеродного наноматериала, и он просыпается через перегородку 4. Регулируя движение элементов перегородки 4, можно регулировать скорость прохождения углеродного наноматериала через перегородку. Возможны и другие конструктивные варианты газопроницаемой перегородки, обладающей управляемой проницаемостью для углеродного наноматериала.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Через систему труб 11, соединенных с линией подачи катализатора 7, постоянно или импульсно на слой углеродного наноматериала, находящегося на газопроницаемой перегородке 4 подается катализатор, а через линию подачи углеродсодержащего газа 6 подается газ. При рабочей температуре, поддерживаемой электрическим нагревателем 3, углеродсодержащий газ вступает во взаимодействие с катализатором с образованием наноструктурного углеродного материала. Выгрузку углеродного наноматериала из корпуса 1 осуществляют через газопроницаемую перегородку 4, путем проворачивания валов 15 вокруг оси, при этом между штырями 16 образуются зазоры, через которые происходит перемещение синтезируемого материала. Скорость выгрузки его определяется из условия поддержания постоянным уровня синтезируемого материала в реакционной зоне. Газообразные продукты пиролиза удаляются через линию отбора газообразных продуктов пиролиза 8 из кольцевого конусного канала 13. Углеродный наноматериал ссыпается через горловину бункера 14 в бункер 2. При необходимости предотвращения уноса мелких частиц углеродного наноматериала с потоком выходящего газа может быть дополнительно использован циклон, фильтр, или иное известное в технике устройство, обеспечивающее отделение взвешенных твердых частиц от газа. В бункер 2 по линии 9 подается инертный газ (например, аргон) для предотвращения адсорбции газообразных компонентов углеродным наноматериалом. Поток инертного газа, входящий в бункер 2, выходит через горловину бункера 14 бункера со скоростью, меньшей, чем скорость седиментации агломератов углеродного наноматериала. Таким образом, наддув инертного газа предотвращает попадание отработанных газов из реактора в бункер. Наддув инертным газом может оказаться полезным, если конверсия газа - источника углерода в углерод не полностью 100%-ная и в газовой фазе присутствуют примеси паров тяжелых углеводородов, способных адсорбироваться на поверхности частиц углеродного наноматериала и тем самым загрязнять его. С той же целью, для предотвращения адсорбции посторонних веществ на углеродном наноматериале и их конденсации на стенках бункера 2, бункер 2 может быть оснащен устройством для подогрева до температуры, при которой адсорбция побочных веществ на поверхности частиц углеродного наноматериала и конденсации на стенках бункера не происходит. Газообразные продукты пиролиза по линии отбора 8 поступают в теплообменник-рекуператор 10, в котором отдают тепло углеродсодержащему газу, поступающему по линии 6, тем самым обеспечивая уменьшение энергопотребления. Так как в линии отбора газообразных продуктов пиролиза 8 установлен дроссель 12, в полости корпуса 1 обеспечивается постоянство величины избыточного давления, исключающее попадание в реактор воздуха и обеспечивающее более стабильный процесс синтеза наноматериалов.
Предлагаемый реактор прост в аппаратурном исполнении и эксплуатации и обеспечивает возможность непрерывного синтеза углеродных структур с контролируемыми и управляемыми количественными и качественными показателями.