Установка для получения углеродного наноматериала

ОПИСАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ к ПАТЕНТУ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- И массообмена им. А.В.ЛЫкова НАН(72) Авторы Жданок Сергей Александрович Крауклис Андрей Владимирович СамЦов Петр Петрович Волжанкин Валерий Михайлович (ВУ)(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена им. А.В.ЛЫкова НАН Беларуси (ВУ)Установка для получения углеродного наноматериала, содержащая плазмохимический реактор, состоящий из кварцевой трубки и стакана осаждения углеродного наноматериала катод, анод, источник энергии, трубку входа горючей смеси, трубку для вывода отработанного газа, термопары, отличающаяся тем, что на внутренней поверхности стакана осаждения углеродного наноматериала выполнены Продольные пазы и реактор дополнительно содержит оболочку, например, алюминиевую, охватывающую нижнюю часть реактора стакан осаждения углеродного наноматериала, причем между оболочкой и стаканом осаждения углеродного наноматериала расположен теплоизоляционный слой ваты, например,каолиновой.1. Сабе 1 М., МигрЬу К, МсСагШу В., Вшгу А., Ьаш В., Ваг 111 е К.С., М. 111 Не Рап 111115,Со 1 ешап 1 .1 Т., В 1 а 11 Ш. Орйшйзайоп оГ Не агс-бйзспаге ргобисйоп оГ шипй-шаПеб сагЬоп папошЬез, СагЬоп 40, 2002. - Р.923-928.2. Песецкий С.С, Жданок С.А., Буяков И.Ф., Богданович С.П., Солнцев А.П. , Крауклис А.В. О структуре И свойствах полиамида 6, модифицированного в расплаве углеродными наноматериалами // ДАН Б. - 2004. - Т.44. - Не 6. - С. 102-107.Полезная модель относится К области химии углеродных материалов, в частности К получению углеродных наноматериалов, содержащих многостеннь 1 е углеродные нанотрубки, углеродные нановолокна и частицы нанографита, и может быть использована для создания полимерных нанокомпозитов, используемых в машиностроении, приборостроении, химической промышленности, авиастроении, электронике, электротехнике и других отраслях народного хозяйства.Известна установка для получения углеродных наноматериалов электродуговым способом 1, производительность которой -1,4 г/ч.Недостатками данной установки являютсявысокая потребляемая мощность - 23 кВтпроцесс получения углеродных наноматериалов осуществляется в условиях пониженного давления, что предполагает наличие вакуумного насоса.Таким образом, перечисленные недостатки повышают себестоимость получаемых на указанной установке углеродных наноматериалов.Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели по технической сущности является установка для получения углеродных наноматериалов (прототип), содержащая плазмохимический реактор, систему газоснабжения, систему охлаждения обработанного газового потока, состоящую из холодильника, конденсатосборника и хроматографа, источник энергии,катод, анод, зону разряда 2. Данная установка позволяет значительно снизить затраты на производство углеродных наноматериаловне требуется использование вакуумного насоса.Однако данная установка для получения углеродных наноматериалов имеет низкую производительность - 1,2 г/ч.Задачей предлагаемой полезной модели является повышение производительности установки для получения углеродных наноматериалов при заданном типе реактора.Решение поставленной задачи достигается тем, что в установке для получения углеродного наноматериала, содержащеи плазмохимическии реактор, состоящии из кварцевои трубки и стакана осаждения углеродного наноматериала катод, анод, источник энергии,медную трубку входа горючей смеси, силиконовую трубку для вывода отработанного газа, причем, согласно техническому решению, на внутренней поверхности стакана осаждения углеродного наноматериала дополнительно выполнены продольные фрезерованные пазы, увеличивающие площадь осаждения углеродных наноматериалов, и реактор дополнительно содержит оболочку, например, алюминиевую, охватывающую нижнюю часть реактора - стакан осаждения углеродного наноматериала, причем между оболочкой и стаканом осаждения углеродного наноматериала расположен теплоизоляционный слой ваты,например, каолиновой.На фиг. 1 изображена схема предлагаемой установки.Фиг. 2 - схема расположения зон сбора углеродных наноматериалов 1, П, 1 П, П/ по длине стакана осаждения с продольно фрезерованными пазами.Фиг. 3 - схема расположения секторов сбора углеродных наноматериалов У, /1, ЧП,/1 П во вставках стакана осаждения углеродного наноматериала.Фиг. 4 - распределение величины удельного выхода углеродных наноматериалов вдоль по длине стакана осаждения углеродного наноматериала.Фиг. 5 - распределение величины удельного выхода углеродных наноматериалов на различных секторах зоны 1.Реакторная часть установки состоит из двух основных частей кварцевой трубки 1 и стакана осаждения углеродного наноматериала 2 (фиг. 1). Кварцевая трубка 1 имеет следующие геометрические параметры внутренний диаметр равен 35 мм, длина - 150 мм,толщина стенки - 2,1 мм. В верхней части кварцевой трубки 1 размещен катод 3, в нижней заземленный анод 4, а также медная трубка 5, диаметр которой равен 6 мм. Источник энергии 6 подключают к катоду 3.Стакан осаждения углеродного наноматериала 2 содержит следующие элементы подвижную термопару 7 типа ТХА - 1199, устанавливаемую внутри стакана термопары 8,устанавливаемые на наружную стенку стакана силиконовую трубку 9. Снаружи стакан осаждения углеродных наноматериалов 2 имеет алюминиевую оболочку 10. Между наружной стенкой стакана и оболочкой расположен слой теплоизоляционной каолиновой ваты 11 толщиной 30 мм.Установка работает следующим образом.В кварцевую трубку 1 подается газовая смесь через медную трубку 5. Зажигание и дальнейшее горение разряда обеспечивает источник энергии 4. Напряжение горения разряда должно составлять 3-5 кВ, при токе разряда 100-200 мА. Происходит обработка рабочей газовой смеси плазмой высоковольтного разряда в зоне между катодом 3 и анодом 4.Анод 4 имеет форму диска с центральным отверстием, диаметр которого равен 10 мм,а высота 21 мм. Отверстие предназначено для выхода газовой смеси из зоны реакции.После обработки разрядом синтезируемый углеродный наноматериал вместе с потоком газа направляется в стакан осаждения углеродного наноматериала 2 через отверстие анода 4. Охлаждение выходящего газового потока происходит непосредственно за анодом и в нижней металлической части реактора. Далее углеродный наноматериал осаждается на внутренних стенках стакана и в продольных пазах. Таким образом, продольные фрезерованные пазы увеличивают площадь поверхности осаждения.Отработанный газовый поток выходит из реактора через силиконовую трубку 9.С целью снижения теплоотвода, снаружи стакана осаждения углеродного наноматериала 2 установлена алюминиевая оболочка 10, между оболочкой и стаканом осаждения УНМ расположен теплоизоляционный слой каолиновой ваты 11.Температура газового потока измеряется подвижной термопарой 7, а температура стенки стакана осаждения углеродного наноматериала 2 - термопарами 8 (фиг. 1).Экспериментально установлено, что продольные фрезерованные пазы, выполненные на внутренней поверхности стакана осаждения углеродного наноматериала, дают наибольший выход углеродных наноматериалов, если их радиус равен 4 мм.С целью определения степени влияния использования продольных фрезерованных пазов на производительность установки, внутри стакана осаждения углеродного наноматериала установили две вставки, высота которых равна 50 мм, с продольными фрезерованными пазами (фиг. 2). Так как на производительность установки существенное влияние оказывает температурный фактор, то стакан осаждения углеродного наноматериала разделили на четыре одинаковые части (зоны 1, 11, 111, 1/), на каждую из которых установили термопару.Для дополнительных исследований влияния температуры на процесс осаждения углеродных наноматериалов вставки с продольными фрезерованными пазами установили в верхней и нижней частях стакана.С Целью оптимизации геометрических размеров пазов, вставки были условно разделены на Четыре сектора (У, /1, ЧП, /1 П), причем внутреннюю поверхность сектора /1 П оставили гладкой, а в остальных трех профрезировали пазы разных радиусов К 1 1,5 мм,112 3 мм, 113 4 мм (фиг. 3).Используемая рабочая горючая смесь имеет следующий состав воздух метан(СН 4 воздух 12,36). Площади зон сбора углеродных наноматериалов определенны геометрически. Результаты эксперимента приведены в табл. 1-3.Таблица 1 Температуры потока газовой смеси в зависимости от времениТаблица 2 Температуры стенки стакана осаждения углеродных наноматериаловТаблица 3 Удельная характеристика выхода углеродных наноматериалов в зависимости от площади сбора и температуры стенки стакана осаждения углеродных наноматериаловИз приведенных данных видно, что наибольший выход углеродных наноматериалов обеспечен в верхней части стакана, что обусловлено температурным фактором ц 801 С ш 575 С (табл. 1, 2). Также существенное влияние оказывает фактор времени рекомендуется вести процесс приблизительно 60 минут, так как за это время достигается наибольщая температура стенок стакана осаждения углеродного наноматериала. При более быстром нагреве снижается производительность установки, увеличивается себестоимость углеродных наноматериалов за счет повыщения потребляемой мощности.