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 двух 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 снабжена слоем теплоизоляции и условно разделена на зоны не менее трех, каждая из которых снабжена нагревательным элементом и термопарой, расположенными на внутренней поверхности трубы, причем нагревательные элементы и термопары подключены к дополнительно введенному блоку контроля температур. 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 двух 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 является постепенное понижение температуры стенки стакана осаждения углеродного наноматериала при отдалении от высокотемпературной зоны горения, что ухудшает качество получаемого продукта и снижает производительность установки, ограниченную размерами стакана осаждения. Задачей предлагаемого технического решения является повышение производительности установки для получения углеродного наноматериала и улучшение качества получаемого продукта. 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 двух 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 снабжена слоем теплоизоляции и условно разделена на зоны не менее трех, каждая из которых снабжена нагревательным элементом и термопарой, расположенными на внутренней поверхности трубы, причем нагревательные элементы и термопары подключены к дополнительно введенному блоку контроля температур. Если температура стенки условной зоны падает ниже установленного минимума, то блок контроля температур включает соответствующий нагреватель до тех пор, пока тем 2 60662010.04.30 пература не восстановится до необходимой для образования на поверхности углеродных наноматериалов. Нагрев внутренних стенок съемной стальной трубы для осаждения углеродного наноматериала позволяет увеличить площадь, на которой образуются углеродные наноструктуры, а теплоизоляционный слой снижает тепловые потери, способствуя лучшему нагреву поверхности. Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить производительность установки и повысить качество получаемого продукта. 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, два слоя) металлической сетки 3. 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(приготовление рабочей смеси) и далее снова разъединяются на два канала 9 для подачи к горелке. Образование углеродных наноматериалов происходит на внутренней поверхности съемной стальной трубы 10, установленной сверху стального цилиндра 1. Вокруг стальной трубы 10 помещен теплоизоляционный слой 11, причем стальная труба 10 условно разделена на зоны (например, три зоны), каждая из которых содержит нагреватель 12 и термопару 13, расположенную на внутренней стенке съемной стальной трубы 10, которые подключены к блоку контроля температур 14. 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 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 определенного времени (порядка 1530 минут), которое определяется как стадия предварительного разогрева, установка работает на стехиометрической смеси реагента (углеводород) и окислителя (воздух), при этом 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. Блок контроля температур 14 считывает сигнал термопар 13 соответственно каждой зоне и в случае падения температуры ниже заданной включает нагреватель 12, или его выключает в случае достижения заданной температуры. Теплоизоляционный слой 11 снижает тепловые потери и обеспечивает более равномерный прогрев внутренней поверхности стальной трубы. Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет повысить производительность установки для получения углеродного наноматериала и улучшить качество получаемого продукта. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3