Установка для получения углеродного наноматериала

(51) МПК (2009) 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, съемную стальную трубу для осаждения углеродного наноматериала, размещенную над горелкой, и газовые каналы для подачи реагента и окислителя, содержащие измерительные клапаны и флоуметры, причем 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 установлена в теплообменнике, выполненном в виде стального цилиндра, заполненного дисперсным термостойким материалом, причем стальной цилиндр помещен в слой теплоизоляции.(56) 1. Патент РБ на полезную модель 4717, МПК 8 В 82 В 3/00, 2008. 59912010.02.28 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, съемную стальную трубу для осаждения углеродного наноматериала,размещенную 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. Далее каналы разъединены и подсоединены 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 излучения. 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 съемной стальной трубы для осаждения углеродного наноматериала, 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, съемную стальную трубу для осаждения углеродного наноматериала, размещенную 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 рабочей смесью, который далее разделяется на два, с противоположных сторон подсоединенных к стальному цилиндру. Согласно предлагаемому техническому решению, съемная стальная труба для осаждения углеродного наноматериала установлена в теплообменнике,выполненном в виде стального цилиндра, окруженного слоем теплоизоляции и наполненного дисперсным термостойким материалом, например шариками из керамики, к которому подсоединен канал с рабочей смесью. Теплоизоляционный слой позволяет снизить тепловые потери и поднять температуру поверхности осаждения углеродного наноматериала, а дисперсный термостойкий материал накапливает тепловую энергию съемной стальной трубы и за счет развитой поверхности теплообмена обеспечивает предварительный нагрев рабочей смеси. Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить производительность установки и эффективность процесса получения углеродных наноматериалов. 2 59912010.02.28 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 3 слоя) металлической сетки 3. Газовые каналы 4 и 5 подачи реагента и окислителя соответственно. Указанные каналы содержат измерительные клапаны 6 и флоуметры 7, обеспечивающие контроль газовых расходов, и далее объединены в один канал 8 для смешения реагента и окислителя и приготовления рабочей смеси. Образование углеродных наноматериалов происходит на внутренней поверхности съемной стальной трубы 9, установленной сверху стального цилиндра 1. Стальная труба 9 установлена в теплообменнике, выполненном в виде стального цилиндра 10, наполненного дисперсным термостойким материалом 11, например шариками из керамики, и окруженного слоем теплоизоляции 12. К верхней части стального цилиндра 10 с термостойким материалом 11 теплообменника подсоединен канал с рабочей смесью 8, который в нижней части теплообменника разделен на два канала 13 для подачи рабочей смеси к горелке 1. 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 горелки, где, проходя через слой пористой керамики 2, она равномерно распределяется по всему объему горелки. За счет многослойности сетки 3 рабочая смесь разбивается на газовые потоки меньшего сечения, обладающие большими скоростями, которые достаточны для удержания фронта горения пламени вблизи поверхности сетки. Это обеспечивает нагрев сетки и создание инфракрасного излучения. Далее происходит поджиг и горение рабочей смеси. Горение в течение времени порядка 15-30 минут определяется как стадия предварительного разогрева, и установка работает на стехиометрической смеси реагента (углеводород) и окислителя (воздух), для которой преобладают реакции полного окисления. После того как 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. Это обеспечивает избыток углерода в зоне образования углеродных наноструктур, а именно на съемной стальной трубе 9. После поджига рабочей смеси труба 9 начинает разогреваться и передавать тепловую энергию цилиндру 10 теплообменника. Проходя через дисперсный материал 11,тепловая энергия передается рабочей смеси, поступающей из канала 8. При этом наличие теплоизоляционного слоя 12 снижает тепловые потери и обеспечивает более равномерный прогрев внутренней поверхности стальной трубы 9, что позволяет осуществлять нагрев рабочей смеси в теплообменнике 10 более эффективно. Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет увеличить производительность установки и повысить эффективность процесса получения углеродного наноматериала. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3