Введение к работе
Актуальность работы. Исследования последнего времени в области применения углеродных наноструктурных материалов (УНМ) - углеродных нанотрубок (УНТ) и нановолокон (УНВ) - способствуют их переходу в категорию реально используемых в промышленности.
УНМ обладают рядом уникальных свойств: большая прочность в сочетании с высокими значениями упругой деформации, хорошие электропроводность и адсорбционные свойства, способность к холодной эмиссии электронов и аккумулированию газов и другие.
Эти материалы могут успешно использоваться в качестве наполнителей конструкционных материалов, аккумуляторов водорода, элементов радиоэлектроники, добавок в смазочные материалы, высокоэффективных адсорбентов, газораспределительных слоев топливных элементов и т.д.
С учетом возможных значительных объемов потребления становится актуальным производство УНМ в промышленных масштабах.
Среди многих способов синтеза таких материалов наибольшей технологичностью выделяется способ получения УНМ высокотемпературным каталитическим пиролизом углеродсодержащих газов (метан, пропан, бутан, ацетилен и т.д.) в присутствии катализаторов на основе металлов Зё-подгруппы. Для развития и активизации поверхности контакта катализатора с газовой фазой лучшим способом является виброожижение. Применение аппаратов, создающих виброкигшций слой, позволяет значительно приблизиться к предельному случаю создания реактора с идеальным перемешиванием.
Несмотря на большое количество научно-исследовательских работ, посвященных вопросам получения УНМ, отсутствуют сведения об организации промышленного производства таких материалов в РФ.
Таким образом, разработка новых конструкций реакторов для получения углеродных наноматериалов в виброожиженном слое и создание методики их расчета являются актуальными научными и практическими задачами.
Работа выполнена в рамках следующих научно-технических программ и проектов:
федеральная целевая научно-техническая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и техники» на 2002 - 2006 гг. (проект РИ-16.0/008/223, государственный контракт №02.438.11.7012);
договор № 8 «О создании научно-технической продукции» между ООО «Тамбовский инновационно-технологический центр машиностроения» и ОАО «Тамбовский завод "Комсомолец" им. Н.С. Артемова». Срок выполнения договора апрель 2004 г. - июнь 2006 г.;
инновационный проект Молодежного инновационного делового центра № 5989 по теме «Разработка и создание нового поколения композиционных полимерных материалов на »кн"ир нптгпгтругтуг-тггггпштгтч
углеродных наполнителей» (заявка № 05-1 НРЙСЮв>Д*Ю*ММлт|ое реше-
БИБЛПОТЕКА \
3 '
ниє жюри программы «Старт» от 23 мая 2005 г.), поддержанный Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.
Цель работы - разработка новой конструкции реактора для получения углеродных наноматериалов с виброожиженным слоем катализатора, методики его расчета на основе теоретических и экспериментальных исследований закономерностей осуществления процесса каталитического пиролиза и движения дисперсных материалов в вибрационных аппаратах.
Научная новизна работы заключается в следующем.
Дано математическое описание поведения слоя катализатора в аппаратах с виброожиженным слоем с позиции теории сплошной среды и с учетом изменения объема реакционной массы в процессе получения УНМ.
Получены экспериментальные зависимости влияния расходных параметров, температуры и времени процесса на удельный выход продукта пиролиза. В частности, установлено, что при пиролизе пропан-бутановой смеси в виброожиженном слое Ni-MgO катализатора максимальный удельный выход продукта достигается при температуре 600 С и при дальнейшем увеличении температуры не изменяется; минимальное время проведения процесса достигается при соотношении расхода газа и массы катализатора 45 л/г-ч.
Получены зависимости, позволяющие определить конструктивные параметры оборудования для производства УНМ, обеспечивающие заданную производительность и свойства получаемого продукта. При этом экспериментально установлено, что максимальная высота виброожиженного слоя УНВ составляет 0,2 м, а интенсивное виброожижение УНВ наблюдается в диапазоне относительных ускорений вибрации реактора 3...5.
Практическая ценность результатов работы состоит в следующем.
Разработан способ получения УНМ пиролизом пропан-бутановой смеси в присутствии Ni-MgO катализатора в аппаратах с виброожиженным слоем материала.
Разработана методика расчета конструкции и режимных параметров осуществления процесса синтеза УНМ в реакторе с виброожиженным слоем.
Предложены новые эффективные конструкции реакторов для получения УНМ с однородной структурой и свойствами.
Сформулированы рекомендации для проектирования опытно-промышленного реактора.
Создана опытно-промышленная установка для получения УНМ в виброожиженном слое катализатора производительностью 100 кг/год. В зависимости от степени очистки УНМ расчетная стоимость продукта составляет 10. 12 р /г, что на порядок ниже цен, сложившихся на мировом рынке.
Автор защищает математическое описание процесса движения катализатора в аппаратах с виброожиженным слоем с учетом увеличивающегося объема материала; способ и конструкции реакторов для получения
УНМ каталитическим пиролизом углеводородов в присутствии никельсо-держащего катализатора в виброожиженном слое; методику расчета основных режимных и геометрических параметров реакторов; рекомендации для проектирования опытно-промышленных реакторов.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на следующих международных конференциях: первая научно-практическая конференция «Исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2005 г); IX международная конференция «Водородное материаловедение и химия углеродных наноматериалов» (г. Севастополь, 2005 г.); VII международная конференция «Теоретические и экспериментальные основы создания новых высокоэффективных процессов и оборудования» (г. Иваново, 2005 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка использованных источников, приложений. Работа изложена на 145 страницах, содержит 47 рисунков и 5 приложений.
