Установка для получения углеродного наноматериала

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДНОГО НАНОМАТЕРИАЛА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Жданок Сергей Александрович Крауклис Андрей Владимирович Борисевич Кирилл Олегович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена им. А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) Установка для получения углеродного наноматериала, включающая горелку, выполненную в виде открытого сверху стального цилиндра, внутри которого последовательно помещены слой пористой керамики и не менее 2-х слоев металлической сетки с диаметром ячеек 0,5-1 мм, поверхность осаждения углеродного наноматериала в виде съемной стальной трубы, размещенной над горелкой, и газовые каналы для подачи реагента и окислителя, содержащие измерительные клапаны и флоуметры, причем газовые каналы для подачи реагента и окислителя объединены в один канал с образованием рабочей смеси, который далее разделен на два канала и подсоединен к стальному цилиндру с противоположных сторон, отличающаяся тем, что съемная стальная труба для осаждения углеродного наноматериала помещена в теплообменник, представляющий собой закрученный по спирали канал с рабочей смесью, который окружен слоем теплоизоляции. 56132009.10.30 Предлагаемое техническое решение относится к области изготовления и обработки наноструктур, в частности к установкам для получения углеродных наноматериалов, содержащих многостенные углеродные нанотрубки, углеродные нановолокна и частицы нанографита, и может быть использовано для создания полимерных нанокомпозитов,используемых в машиностроении, приборостроении, химической промышленности, авиастроении, электронике, электротехнике и других отраслях народного хозяйства. Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому решению (прототип) является установка для получения углеродных наноматериалов 1. Указанная установка содержит горелку, выполненную в виде открытого сверху стального цилиндра, внутри которого последовательно помещены слой пористой керамики и не менее 2-х слоев металлической сетки с диаметром ячеек 0,5-1 мм, поверхность осаждения углеродного наноматериала в виде съемной стальной трубы, размещенной над горелкой и газовые каналы для подачи реагента и окислителя, содержащие измерительные клапаны и флоуметры. Для обеспечения предварительного смешения реагента и окислителя газовые каналы объединены в один, который далее разъединен на два подсоединенных к стальному цилиндру с противоположных сторон. Слой пористой керамики служит для равномерного распределения рабочей смеси по объему цилиндра. Слои металлических сеток разделяют рабочую смесь на газовые потоки меньшего сечения, обладающие большими скоростями,которые достаточны для удержания фронта горения пламени вблизи поверхности сетки,что обеспечивает ее нагрев и создание инфракрасного свечения. Это позволяет сжигать газовые смеси, в которых реагента содержится значительно больше, чем окислителя, и инициировать реакции частичного окисления и термического крекинга, продукты которых играют роль строительного материала для формирования углеродных наноструктур. Недостатком этой конструкции являются высокие потери тепла с внешней поверхности стальной трубы, выполняющей роль поверхности осаждения, что препятствует ее равномерному прогреву до температур, необходимых для образования углеродных наноматериалов (более 600 С), и таким образом снижает производительность установки. Кроме того, рабочая смесь, попадая в стальной цилиндр горелки, отбирает часть тепловой энергии для разогрева до температур начала реакции разложения, что снижает эффективность процесса. Задачей предлагаемого технического решения является повышение производительности установки для получения углеродного наноматериала и эффективности процесса. Задача решается следующим образом. Известная установка для получения углеродного наноматериала включает горелку, выполненную в виде открытого сверху стального цилиндра, внутри которого последовательно помещены слой пористой керамики и не менее 2-х слоев металлической сетки, поверхность осаждения углеродного наноматериала в виде съемной стальной трубы, размещенной над горелкой, и газовые каналы для подачи реагента и окислителя, содержащие измерительные клапаны и флоуметры. Для обеспечения предварительного смешения реагента и окислителя газовые каналы объединены в один канал с образованием рабочей смеси, который далее разделен на два, с противоположных сторон подсоединенных к стальному цилиндру. Согласно предлагаемому техническому решению стальная труба, для осаждения углеродного наноматериала, помещена в теплообменник, представляющий собой закрученный по спирали канал с рабочей смесью, окруженный слоем теплоизоляции. Теплоизоляционный слой позволяет снизить тепловые потери и поднять температуру поверхности осаждения, а тесный контакт поверхности канала с рабочей смесью со стальной трубой для осаждения углеродного наноматериала обеспечивает передачу тепловой энергии от продуктов реакции к рабочей смеси и ее предварительный нагрев. Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет поднять производительность установки для получения углеродных наноматериалов и улучшить эффективность процесса. 2 56132009.10.30 На фигуре представлен общий вид установки для получения углеродного наноматериала. Предлагаемая установка для получения углеродного наноматериала включает горелку,представляющую собой стальной цилиндр 1, внутрь которого помещены слой керамики 2 и несколько слоев (например 2 слоя) металлической сетки 3 с диаметром ячеек 0,5 -1 мм. Газовые каналы подачи реагента 4 и окислителя 5, содержащие измерительные клапаны 6 и флоуметры 7 для контроля газовых расходов объединены в один канал 8 для смешения реагента и окислителя и образования рабочей смеси. Образование углеродных наноматериалов происходит на внутренней поверхности съемной стальной трубы 9, установленной сверху стального цилиндра 1. Вокруг стальной трубы 9 размещен теплообменник 10,представляющий собой закрученный по спирали канал 11 с рабочей смесью, окруженный теплоизоляционным слоем 12. За теплообменником канал 11 разделяется на два канала 13 для подачи рабочей смеси к горелке. Установка работает следующим образом по газовым каналам 4 и 5 через измерительные клапаны 6 и флоуметры 7 реагент и окислитель поступают к общему каналу 8, где они перемешиваются и образуют рабочую смесь. Далее в каналах 13 рабочая смесь разделяется на два одинаковых потока и подается к стальному цилиндру 1, где, проходя через слой пористой керамики 2, она равномерно распределяется по всему объему. На слоях сетки 3 с диаметрами ячеек 0,5-1 мм рабочая смесь разбивается на газовые потоки меньшего сечения, обладающие большими скоростями, которые достаточны для удержания фронта горения пламени вблизи поверхности сетки, что обеспечивает ее нагрев и создание инфракрасного свечения. Далее происходит поджиг рабочей смеси. В течение времени порядка 15-30 минут, определяемом как стадия предварительного разогрева, установка работает на стехиометрической смеси реагента (углеводород) и окислителя (воздух), для которой преобладают реакции полного окисления. Когда слои сетки 3 прогреваются до температур 700-900 С и начинают излучать в инфракрасном спектре, предварительно полученную рабочую смесь, обогащают углеводородами, т.е. значительно увеличивают долю реагента в смеси, что создает избыток углерода в зоне образования углеродных наноструктур - на металлической трубе 9. После поджига рабочей смеси металлическая труба 9 начинает разогреваться и передавать тепловую энергию через теплообменник 10 к рабочей смеси, протекающей в закрученном по спирали канале 11. Теплоизоляционный слой 12 снижает тепловые потери, обеспечивает более равномерный прогрев внутренней поверхности стальной трубы 9 и позволяет осуществлять нагрев рабочей смеси в теплообменнике 10 более эффективно. Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет поднять производительность установки для получения углеродного наноматериала и улучшить эффективность процесса. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3