РЕАКТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОЛОКНИСТЫХ УГЛЕРОДНЫХ СТРУКТУР КАТАЛИТИЧЕСКИМ ПИРОЛИЗОМ

Полезная модель относится к технологии получения волокнистых углеродных материалов методом пиролиза ароматических и неароматических углеводородов и может использоваться при получении фильтрующих элементов для баромембранных процессов.
Технология получения волокнистых углеродных материалов заключается в модификации пористой структуры неорганических мембран углеродным наноматериалом, включающей осаждение углерода, полученного при пиролизе углеводородов, на поверхность макропор заготовки. При этом подготовку подложки осуществляют импрегнированием раствора жидкофазных прекурсоров катализатора синтеза углеродного наноматериала на подложку из пористого материала. Для достижения требуемой селективности мембраны проводится термообработка подложки при температуре пиролиза углеродсодержащего газа. При этом осаждение углеродного наноматериала ведется до получения слоя углеродного материала заданной толщины.
Согласно патенту США №5165909, МПК D01F 9/10, 1992 г. 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 равномерного распределения порошкообразного катализатора равномерно по всему живому сечению печи. Это приводит к снижению эффективности пиролиза из-за неравномерности распределения катализатора (смесь никеля с 10% алюминия).
Наиболее близким по конструкции к заявляемому устройству является реактор для получения волокнистых углеродных структур каталитическим пиролизом, содержащий состоящий из днища и крышки, соединенных узлом герметизации, корпус, с установленными внутри нагревателями и соединенный с линиями подачи углеводородного газа и отбора газообразных продуктов пиролиза. Реактор также содержит сборник готового продукта в нижней части, а в верхней части - узел подачи катализатора, соединенный с камерой-осадителем, установленной над соединенным с приводом вращения и взаимодействующим с неподвижным скребком диском. (Патент РФ №2310023, МПК D01F 9/10, 2007 г.).
Недостатком такого реактора является невозможность модификации пористых подложек путем осаждения углеродного наноматериала для получения мембранных материалов с заданной селективностью из-за невозможности организации потоков углеродсодержащих газов через пористый материал, выбранный в качестве подложки.
Указанный недостаток обусловлен конструктивными признаками известного устройства.
По совокупности общих признаков в качестве прототипа выбрано устройство по патенту РФ №2310023.
Технический результат, обеспечиваемый полезной моделью, заключается в обеспечении получения мембранного материала путем осаждения на импрегнированный жидкими прекурсорами пористый материал (подложку) углеродного наноматериала.
Технический результат достигается тем, тем, что в реакторе для получения волокнистых углеродных структур каталитическим пиролизом, содержащем состоящий из днища и крышки, соединенных узлом герметизации, корпус, с установленными внутри нагревателями и соединенный с линиями подачи углеводородного газа и отбора газообразных продуктов пиролиза, согласно полезной модели линии подачи углеводородного газа и отбора газообразных продуктов пиролиза соединены с дополнительно установленным теплообменником и в корпусе установлена одна или несколько соединенных на выходе с линией отбора газообразных продуктов камер осаждения, на входе которых помещены импрегнированные раствором жидкофазных прекурсоров катализатора синтеза углеродного наноматериала подложки из пористого материала.
Камера осаждения может быть выполнена в виде снабженной юбкой и соединенной с линией отбора газообразных продуктов пиролиза емкости, верхняя часть которой закрыта крышкой, в гнездах которой установлены подложки в виде дисков из градиентно-пористой керамики.
Камера осаждения может быть выполнена в виде снабженной юбкой и соединенной с линией отбора газообразных продуктов пиролиза емкости, крышка которой выполнена в виде поддона с сетчатым днищем с помещенной в поддон гранулированной пористой керамикой.
Камера осаждения также может быть выполнена в виде снабженной юбкой и соединенной с линией отбора газообразных продуктов пиролиза емкости с решетчатой крышкой, на которой помещена ткань из кремнеземного волокна, закрепленная по периметру рамкой.
Между отличительными признаками и достигаемым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь.
Соединение линий подачи углеводородного газа и отбора газообразных продуктов пиролиза с дополнительно установленным теплообменником обеспечивает дополнительный подвод тепла к потоку углеродсодержащего газа, что способствует созданию равномерного температурного поля в реакторе для формирования баромембранных материалов. Одновременно обеспечивается утилизация сбрасываемого тепла, что позволяет снизить энергозатраты.
Установка в корпусе реактора одной или нескольких соединенных на выходе с линией отбора газообразных продуктов камер осаждения, на входе которых помещены импрегнированные раствором жидкофазных прекурсоров катализатора синтеза углеродного наноматериала подложки из пористого материала, позволяет одновременно обрабатывать большое количество подложек. Существенным является то, что в процессе формирования мембран вся партия будет иметь одинаковое сопротивление потоку за счет автоматического снижения скорости потока углеродсодержащего газа через поры, в которых уже произошло осаждение углеродного материала из газовой фазы, т.е. имеют меньший условный проход.
Различные конструктивные варианты исполнений камер осаждения позволяют использовать для осаждения различные типы подложек, в том числе в виде дисков из градиентно-пористой керамики, гранулированной пористой керамики, помещенной в поддон, ткани из кремнеземного волокна, а также других видов пористых материалов, после импрегнирования их раствором жидкофазных прекурсоров катализатора синтеза углеродного наноматериала. Это расширяет функциональные возможности реактора.
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 различных модификаций реакторов для синтеза волокнистых углеродных материалов с получением технического результата, заключающегося в обеспечении получения мембранного материала путем осаждения на импрегнированный жидкими прекурсорами пористый материал (подложку) углеродного наноматериала, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию "промышленная применимость".
Сущность заявляемой полезной модели поясняется примером конкретного выполнения, где на представленных чертежах изображены:
на фиг.1 показан общий вид реактора для получения волокнистых углеродных структур каталитическим пиролизом в разрезе;
на фиг.2 - сечение по А-А, на котором показан вид камер осаждения с гранулированным материалом подложек;
на фиг.3 показано сечение по Б-Б камеры осаждения для гранулированного материала подложек;
на фиг.4 показано сечение по А-А, с камерами осаждения виде дисков из градиентно-пористой керамики (верхний ряд), и ткани из кремнеземного волокна (нижний ряд);
на фиг.5 показано сечение по В-В фиг.4 - крепление подложек в виде дисков;
на фиг.6 показана камера осаждения для нанесения углеродного материала на подложку на ткань из кремнеземного волокна;
на фиг.7 показано сечение по Г-Г фиг.6. Перечень позиций, указанных на чертежах:
1. днище;
2. крышка;
3. узел герметизации;
4. нагреватели;
5. линия отбора газообразных продуктов пиролиза;
6. линия подачи углеводородного газа;
7. теплообменник;
8. патрубок;
9. камера осаждения;
10. подложка;
11. юбка;
12. емкость;
13. крышка
14. сетчатое днище;
15. гнездо;
16. кольцо;
17. рамка.
Реактор для получения волокнистых углеродных структур каталитическим пиролизом содержит корпус, состоящий из днища 1 и крышки 2, соединенных узлом герметизации 3. На крышке 2 внутри корпуса установлены нагреватели 4 и линия отбора газообразных продуктов пиролиза 5, а на днище 1 линия подачи углеводородного газа 6. Линия подачи углеводородного газа 6 и линия отбора газообразных продуктов пиролиза 5 соединены с теплообменником 7, установленным вне реактора. На днище 1 установлены соединенные на выходе патрубками 8 с линией отбора газообразных продуктов 5 камеры осаждения 9, на входе которых помещены импрегнированные раствором жидкофазных прекурсоров катализатора синтеза углеродного наноматериала подложки 10 из пористого материала. На фиг.2 и 3 показана камера осаждения 9 для подложек 10 в виде гранул. Камера осаждения 9 выполнена в виде снабженной юбкой 11 и соединенной с линией отбора газообразных продуктов пиролиза 5 емкости 12, верхняя часть которой закрыта крышкой 13 выполненной в виде поддона с сетчатым днищем 14 с помещенной в поддон гранулированной пористой керамикой 10. Показанная на фиг.4 и 5 крышка 13 выполнена в виде листа, в гнездах 15 которой установлены подложки 10 в виде дисков из градиентно-пористой керамики. Диски 10 фиксируются кольцами 16. На фиг.4, 6 и 7 показана камера осаждения 9 для листового материала 10, выполненная с решетчатой крышкой 13, на которой помещена подложка 10 в виде ткани из кремнеземного волокна, закрепленная по периметру рамкой 17.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
При поднятой крышке 2 на днище 1 устанавливаются камеры осаждения 9 с подложками 10. Снаряжение подложками камер осаждения выполняется следующим образом. При использовании подложек 10 в виде гранул, последние загружаются в поддоны с сетчатым днищем 14. Подложки 10 в виде дисков устанавливаются гнездах 15 крышек 13 и фиксируются кольцами 16. Подложки 10 в виде листов укладываются на решетчатую крышку 13 и фиксируются рамками 17. Патрубки 8 соединяются с линией отбора газообразных продуктов пиролиза. Затем на днище 1 устанавливается крышка 2 и производится герметизация реактора узлами герметизации 3. Перед работой полость реактора продувается аргоном через линию подачи углеводородного газа 6, при этом воздух реактора удаляется через линию отбора газообразных продуктов пиролиза 5.
Процесс пиролиза углеводородного газа проводится при температуре 600-700°С, что исключает термическое разложение углеродного наноматериала и его термическую деструкцию.
В процессе пиролиза углеводородный газ проходит через перфорацию юбок 11 и пористые подложки 10 в емкости 12 и через патрубки 8 выводится в линию отбора газообразных продуктов пиролиза 5. Отводимые горячие газы поступают в теплообменник 7, где отдают тепло в линию подачи углеводородного газа 6.
Окончательная обработка пропитанного образца заключается в отжиге при температуре 550-600°С после чего производится выращивание углеродных наноматериалов на поверхности пор подложек 10 при температуре пиролиза углеродсодержащего газа до получения слоя углеродного материала заданной толщины.
При нанесении на противоположные стороны подложки растворов прекурсора с различной концентрацией конфигурация пор приобретает воронкообразную форму с расширением воронки от мембраны.
Предлагаемое устройство обеспечивает получение мембранного материала для баромембранных процессов путем осаждения углеродного наноматериала.