RU191901U1 - Реактор для получения углеродных наноматериалов газофазным химическим осаждением - Google Patents

Реактор для получения углеродных наноматериалов газофазным химическим осаждением Download PDF

Info

Publication number
RU191901U1
RU191901U1 RU2017139513U RU2017139513U RU191901U1 RU 191901 U1 RU191901 U1 RU 191901U1 RU 2017139513 U RU2017139513 U RU 2017139513U RU 2017139513 U RU2017139513 U RU 2017139513U RU 191901 U1 RU191901 U1 RU 191901U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
reactor
gas
quartz tube
phase chemical
producing carbon
Prior art date
Application number
RU2017139513U
Other languages
English (en)
Inventor
Александр Николаевич Красновский
Петр Сергеевич Кищук
Сергей Александрович Егоров
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН")
Priority to RU2017139513U priority Critical patent/RU191901U1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU191901U1 publication Critical patent/RU191901U1/ru

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/02—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds
    • B01J8/06—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds in tube reactors; the solid particles being arranged in tubes
    • B01J8/062—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds in tube reactors; the solid particles being arranged in tubes being installed in a furnace
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/02—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds
    • B01J8/06—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds in tube reactors; the solid particles being arranged in tubes
    • B01J8/065—Feeding reactive fluids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • B82B3/0009—Forming specific nanostructures
    • B82B3/0019—Forming specific nanostructures without movable or flexible elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

Полезная модель относится к технологическому оборудованию для получения углеродных наноматериалов методом газофазного химического осаждения с использованием паров этанола в токе водорода. В реакторе для получения углеродных наноматериалов газофазным химическим осаждением, выполненным в виде предназначенной для размещения в устройстве нагрева кварцевой трубки, снабженной по торцам входным и выходным патрубками, по крайней мере один из которых выполнен съемным, кварцевая трубка выполнена с прямоугольным проходным сечением, оптимально кварцевую трубку выполнять со скругленными углами в прямоугольном проходном сечении. Технический результат - повышение производительности процесса за счет повышения эффективности синтеза УНМ. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к технологическому оборудованию для получения углеродных наноматериалов методом газофазного химического осаждения с использованием паров этанола в токе водорода. Полученные углеродные наноматериалы (УНМ), в том числе углеродные нанотрубки (УНТ) могут быть использованы в качестве армирующего наполнителя в производстве изделий из композиционных материалов, а также в качестве ключевого компонента материалов для энергетики, микроэлектроники и компьютерной техники.
Для создания промышленной схемы синтеза УНМ выбран метод газофазного химического осаждения (ГФХО), что обосновано следующими аргументами:
- наличие положительного опыта в создании аппаратов подобного типа, главным образом за рубежом;
- дешевое и доступное углеводородное сырье - бутан-пропановая смесь, а также возможно - метан, ацетилен и т.д.;
- сравнительно низкая себестоимость компонентов катализатора (3d-металлы и их бинарные смеси и сплавы с другими элементами, глицин, окислы Mg и др.);
- селективность морфологии получаемых наноматериалов в зависимости от исходных параметров технологического процесса, осуществляемого на одном и том же оборудовании, что расширяет область реального использования получаемых продуктов;
- возможность получения, наряду с производством УНМ, чистого водорода, свободного от СО и CO2, необходимого для водородной энергетики и химического синтеза;
- удобство управления и возможность организовать непрерывные процессы синтеза;
- низкие энергозатраты по сравнению с альтернативными методами получения углеродных наноструктур.
Специфической особенностью каркасных фуллереноподобных углеродных наноструктур является многообразие их форм и структур:
- фуллерены;
- однослойные, двухслойные, многослойные (цилиндрические, конические, спиральные, бамбукообразные и др.) нанотрубки;
- нановолокна, также отличающиеся по форме и строению графеновых слоев, но не имеющие внутренних каналов.
Это объясняется тем, что даже незначительные изменения условий проведения синтеза (состав катализатора, температура, состав углеродсодержащего компонента и его расход, давление и многое другое) неизбежно приводят к изменению структуры, морфологии и свойств получаемых УНМ.
Наиболее приемлемыми вариантами конструктивного оформления реакторов для получения УНМ для производства наноуглерода в промышленных объемах являются:
- непрерывно действующие аппараты трубчатого типа с перемещаемым слоем катализатора (патент РФ №2338686 С1, опубл. 20.11.2008);
- реакторы с ожиженным слоем катализатора периодического и непрерывного действия (патент РФ №2537487 С2, опубл. 10.06.2014);
- емкостные реакторы периодического или полунепрерывного принципа действия с неподвижным слоем катализатора (О.С.Дмитриев, С.В. Мищенко, С.О. Дмитриев, А.С Херрман, К. Хоффмейстер, Особенности исследования теплофизических и кинетических характеристик углепластиков в процессе отверждения, Теплофизика в энергосбережении и управлении качеством: мате- риалы Шестой международной теплофизической школы. Тамбов, 2007, Ч. I, с. 58-61).
Во всех этих реакторах предполагается использование мелкодисперсного сыпучего катализатора.
Неоднозначность выбора конкретного типа реактора объясняется тем, что каждый из них имеет свои очевидные преимущества и недостатки.
Наиболее привлекательным представляется использование конструктивно простого и технологичного реактора для получения углеродных нанотрубок газофазным химическим осаждением, выполненного в виде предназначенной для размещения в устройстве нагрева кварцевой трубки с цилиндрическим проходным сечением, снабженной по торцам входным и выходным патрубками с цилиндрическим проходным сечением, по крайней мере один из которых выполнен съемным (см., например, Кудашов А.Г., Куреня А.Г. Окотруб А.В., Гусельников А.В., Данилович B.C., Булушева Л.Г. «Синтез и структура пленок углеродных нанотрубок, ориентированных перпендикулярно подложке», Журнал технической физики, 2007, том 77, вып. 12, стр. 96-100). Этот реактор -прототип заявленного технического решения - предназначен для размещения в зоне нагрева с установленными внутри него подложками с катализатором и прокачки сквозь него через патрубки газовой углеродсодержащей рабочей смеси.
К недостаткам прототипа следует отнести то, что для исключения возможного уноса частиц катализатора в трубчатых реакторах устанавливают малые скорости газа, соответствующие ламинарным режимам течения в трубках с цилиндрическим проходным сечением, что часто не обеспечивает оптимальные режимы протекания процесса синтеза УНМ, поскольку при ламинарном режиме движения газового потока наблюдается параболический градиент скоростей по сечению цилиндрической трубки, что приводит к проскоку газа в центральной зоне и, как следствие, к снижению эффективности синтеза/производительности процесса.
Задача полезной модели - сформировать конструкцию реактора таким образом, чтобы градиент скоростей течения газа был более равномерным.
Технический результат - повышение производительности процесса за счет повышения эффективности синтеза УНМ.
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в реакторе для получения углеродных наноматериалов газофазным химическим осаждением, выполненном в виде предназначенной для размещения в устройстве нагрева кварцевой трубки, снабженной по торцам входным и выходным патрубками, по крайней мере один из которых выполнен съемным, кварцевая трубка выполнена с прямоугольным проходным сечением, оптимально кварцевую трубку выполнять со скругленными углами в прямоугольном проходном сечении.
Полезная модель поясняется изображениями, на которых представлены:
на Фиг. 1 - заявленный реактор в разрезе, вид сбоку;
на Фиг. 2 - заявленный реактор в разрезе, вид сверху;
на Фиг. 3 - сечение А-А на Фиг. 1.
Полезная модель основана на следующем.
Известно (см., например, Ламинарное течение жидкости в круглой трубе, http://poisk-ru.ru/s1454t4.html, обращение 13-10 мск 04.09.2017), что истинная кинетическая энергия ламинарного потока с параболическим распределением скоростей (характерно для трубок с круглым проходным сечением) в два раза превосходит кинетическую энергию того же потока, но при равномерном распределении скоростей (характерно для трубок с прямоугольным проходным сечением бесконечной ширины). Исходя из этого, в кварцевой трубке реактора с прямоугольным проходным сечением формируется более равномерный градиент скоростей по сечению трубки, а следовательно, эффект «проскока» газа в центральной зоне будет отсутствовать, а возможность уноса частиц катализатора снизится до двух раз. При этом, поскольку в трубке прямоугольного сечения конечной ширины угловые зоны характеризуются, как «застойные» зоны, что негативно сказывается на равномерности потока, предложено углы скруглять.
В общем виде заявленный реактор устроен следующим образом.
Реактор выполняется в виде кварцевой трубки 1 прямоугольного сечения со скругленными углами (Фиг. 3). С торцов трубка 1 соединена с соответственно входным 2 и выходным 3 патрубками. При этом один из патрубков, в нашем случае это патрубок 3, выполнен съемным (см. Фиг. 1, 2) для беспрепятственного размещения в трубке 1 подложки 4 с катализатором 5, а другой, в нашем случае это патрубок 2, может быть выполнен аналогично патрубку 3 или, как это показано на Фиг. 1, 2, заодно с трубкой 1, или приваренным/приклеенным и т.п.к трубке 1.
Заявленный реактор работает следующим образом.
Подложка или подложки 4 с катализатором 5 помещаются в трубку 1 реактора со стороны торца 6, на который герметично надевают патрубок 3. Трубку 1 помещают в локальное устройство нагрева 7, обеспечивающего нагрев центральной части трубки 1 с размещенной в ней подложкой 4 с катализатором 5. С помощью входного 2 и выходного 3 патрубков осуществляют прокачку (на Фиг. 1, 2 - по стрелкам) рабочей газовой углеродсодержащей смеси, при этом устройство нагрева 7 нагревает реактор до температуры 800-900°С и выдерживается в течение 2-4 часов, при этом непрерывно подается смесь углеродсодержащего газа и водорода, который выступает как газ-растворитель. На частицах катализатора 5 происходит рост углеродных нанотрубок. Нижеприведенные примеры работы заявленного реактора свидетельствуют о повышении производительности за счет интенсификации синтеза УНМ по сравнению с прототипом.
Пример 1 проводился в соответствии с прототипом.
Синтез проводился в реакторе с круглым проходным сечением кварцевой трубки с катализатором (Fe0,45Co0,15Al0,40)2O3 при температуре 800°С. Этанол подавался напрямую в токе водорода, барботированием через склянку Дрекселя. Подача водорода осуществлялась из генератора водорода с расходом газа 100 мл/мин. Контроль происходил с помощью дифманометра. Реакция проходила в течение 2-х часов. В результате для 3 г катализатора выход составил 6 г углеродных нанотрубок.
Пример 2 проводился в соответствии с заявленным техническим решением.
Синтез проводился в реакторе с прямоугольным проходным сечением кварцевой трубки с катализатором (Fe0,45Co0,15Al0,40)2O3 при температуре 800°С. Этанол подавался с помощью перистальтического насоса с расходом 0,5 мл/мин. Реакция проходила в течение 2-х часов. Этанол подавался при температуре 650°С. По истечении 2-х часов нагрев прекращали и охлаждали реактор в токе водорода. При достижении 700°С перекрывали подачу этанола, и реактор охлаждали до 200°С в токе водорода, после чего прекращали подачу водорода и реактор охлаждали до комнатной температуры. В результате для 0,3 г катализатора выход составил 2,9538 г углеродных нанотрубок.
Пример 3 проводился в соответствии с заявленным техническим решением.
Синтез проводился в реакторе с прямоугольным проходным сечением кварцевой трубки с катализатором ((Fe0,45Co0,15Al0,40)2O3 при температуре 800°С, этанол подавался с помощью перистальтического насоса с расходом 0,5 мл/мин. Реакция проходила в течение 4-х часов. По истечении 4-х часов нагрев прекращали и охлаждали реактор в токе водорода. При достижении 700°С перекрывали подачу этанола, и реактор охлаждали до 200°С в токе водорода, после чего прекращали подачу водорода и реактор охлаждали до комнатной температуры. В результате для 0,15 г катализатора выход составил 1,4625 г углеродных нанотрубок.
Figure 00000001
Из представленной таблицы следует, что конструкция реактора с прямоугольной кварцевой трубкой позволяет существенно, от двух до пяти раз, повысить производительность процесса за счет повышения эффективности синтеза (газофазного химического осаждения) УНМ.
Изложенное позволяет сделать вывод о том, что поставленная задача полезной модели - сформировать конструкцию реактора таким образом, чтобы градиент скоростей течения газа был более равномерным - решена, а заявленный технический результат - повышение производительности процесса за счет повышения эффективности синтеза УНМ - достигнут.
Анализ заявленной полезной модели на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого технического результата - обеспечения высокой производительности газофазного химического осаждения углеродных нанотрубок.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для получения большего количества углеродных нанотрубок, и может быть использован в производстве нанотрубок для армирования композитных материалов;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте нижеизложенной формулы, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в материалах заявки известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствуют требованиям условиям патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Claims (2)

1. Реактор для получения углеродных наноматериалов газофазным химическим осаждением, выполненный в виде предназначенной для размещения в устройстве нагрева кварцевой трубки, снабженной по торцам входным и выходным патрубками с цилиндрическим проходным сечением, по крайней мере один из которых выполнен съемным, отличающийся тем, что кварцевая трубка выполнена с прямоугольным проходным сечением.
2. Реактор для получения углеродных наноматериалов газофазным химическим осаждением по п. 1, отличающийся тем, что кварцевая трубка выполнена со скругленными углами в прямоугольном проходном сечении.
RU2017139513U 2017-11-14 2017-11-14 Реактор для получения углеродных наноматериалов газофазным химическим осаждением RU191901U1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017139513U RU191901U1 (ru) 2017-11-14 2017-11-14 Реактор для получения углеродных наноматериалов газофазным химическим осаждением

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017139513U RU191901U1 (ru) 2017-11-14 2017-11-14 Реактор для получения углеродных наноматериалов газофазным химическим осаждением

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU191901U1 true RU191901U1 (ru) 2019-08-28

Family

ID=67851992

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017139513U RU191901U1 (ru) 2017-11-14 2017-11-14 Реактор для получения углеродных наноматериалов газофазным химическим осаждением

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU191901U1 (ru)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2338686C1 (ru) * 2007-03-01 2008-11-20 Андрей Алексеевич Александров Способ получения углеродных нанотрубок
WO2011087526A1 (en) * 2010-01-15 2011-07-21 Applied Nanostructured Solutions Llc Apparatus and method for the production of carbon nanotubes on a continuously moving substrate

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2338686C1 (ru) * 2007-03-01 2008-11-20 Андрей Алексеевич Александров Способ получения углеродных нанотрубок
WO2011087526A1 (en) * 2010-01-15 2011-07-21 Applied Nanostructured Solutions Llc Apparatus and method for the production of carbon nanotubes on a continuously moving substrate

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
КУДАШОВ А.Г. и др., Синтез и структура плёнок углеродных нанотрубок, ориентированных перпендикулярно подложке, Журнал технической физики, 2007, т. 77, вып. 12, с.с. 96-98. *
ТКАЧЁВ А.Г., ЗОЛОТУХИН И.В., Аппаратура и методы синтеза твердотельных наноструктур, Москва, Машиностроение-1, 2007, с.с. 28-32, 148-149. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103691446B (zh) 以石墨烯为载体的催化剂及由此制得的碳纳米材料
JP2013136538A (ja) メタネーション反応装置
Fauzi et al. A critical review of the effects of fluid dynamics on graphene growth in atmospheric pressure chemical vapor deposition
WO2018111149A1 (ru) Способ активации катализатора, реактор и способ получения углеводородов в процессе фишера-тропша
Yeheskel et al. Thermolysis of methane in a solar reactor for mass-production of hydrogen and carbon nano-materials
CN103204492A (zh) 一种提高单壁碳纳米管产率的新方法
Pant et al. A comprehensive review on carbon nano-tube synthesis using chemical vapor deposition
JP6164226B2 (ja) カーボンナノチューブの製造方法
RU191901U1 (ru) Реактор для получения углеродных наноматериалов газофазным химическим осаждением
US10710042B2 (en) Device for efficient mixing of laminar, low-velocity fluids
De Falco Pd-based membrane steam reformers: a simulation study of reactor performance
TWI410372B (zh) 合成碳奈米管的裝置
KR101651315B1 (ko) 유동층 반응기 및 이를 이용한 카본나노구조물 제조방법
WO2019184747A1 (zh) 一种双气流生长二维材料反应室设备
CN104760943B (zh) 一种注射化学气相沉积合成螺旋碳纳米管的方法
Li et al. Preparation of diameter-controlled multi-wall carbon nanotubes by an improved floating-catalyst chemical vapor deposition method
JP7089108B2 (ja) 収集装置および製造システム
Khavarian et al. Effects of growth parameters on the morphology of aligned carbon nanotubes synthesized by floating catalyst and the growth model
KR101248545B1 (ko) 탄소나노튜브 합성장치의 믹싱편이 구비된 반응관
Futko et al. Parametric investigation of the isothermal kinetics of growth of graphene on a nickel catalyst in the process of chemical vapor deposition of hydrocarbons
KR102459718B1 (ko) 복합체 입자 제조장치
Chatterjee et al. Repeatability and Reproducibility in the Chemical Vapor Deposition of 2D Films: A Physics-Driven Exploration of the Reactor Black Box
Bagheri et al. Comparison of two methods of carbon nanotube synthesis: CVD and supercritical process (A review)
Futko et al. Simulation of the dynamics of isothermal growth of single-layer graphene on a copper catalyst in the process of chemical vapor deposition of hydrocarbons
Lvova et al. Computational fluid dynamics in the carbon nanotubes synthesis by chemical vapor deposition

Legal Events

Date Code Title Description
MM9K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20191115

NF9K Utility model reinstated

Effective date: 20210209