Разработка методики расчета и конструкции реактора синтеза углеродных нанотрубок

• Автор: Блинов, Сергей Валентинович
• Шифр специальности: 05.17.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Тамбов
• Количество страниц: 140 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

Основные условные обозначения.

Введение

Глава 1 Литературный обзор.

1.1 Структура углеродных нанортубок и нановолокон

1.2 Области применения

многослойных углеродных нанотрубок

1.3 Обзор способов синтеза углеродных нанотрубок.

1.3.1 Электродуговой синтез.

1.3.2 Лазерный синтез.

1.3.3 Резистивное испарение графита.

1.3.4 Испарение графита электронным и ионным пучком
1.3.5 Испарение графита солнечным светом
1.3.6 Синтез в пламени
1.3.7 Электролиз расплавленных солей
1.3.8 Пиролиз углеводородов и разложение СО.
1.3.8.1 Разложение СО.
1.3.8.2 Каталитический пиролиз
1.4 Особенности кинетики процессов син теза многослойных углеродных нанотрубок
каталитическим пиролизом углеводородов
1.5 Катализаторы для получения многослойных углеродных нанотрубок каталитическим
пиролизом углеводородов.
1.6 Сравнительный анализ методов и конструкций
установок получения многослойных углеродных нанотрубок пиролизом углеродсодержащих газов
Выводы по главе 1
Глава 2 Экспериментальные исследования процесса
получения углеродных наноструктурных материалов каталитическим пиролизом пропанбутановой смеси
2.1. Расчел параметров химического равновесия при пиролитическом
разложении газообразных углеводородов
2.2. Исследования кинетики образования многослойных
углеродных нанотрубок
2.2.1. Гравиметрический способ.
2.2.2. Способ основанный на измерении электромагнитных характеристик
синтезируемого материала.
2.3 Исследование процесса получения многослойных углеродных нанотрубок в реакторах
с неподвижным слоем катализатора.
2.4 Синтез многослойных углеродных нанотрубок в реакторе с
подофеваемой подложкой.
Выводы по главе 2
Глава 3 Методика расчета реакторов для получения
многослойных углеродных нанотрубок с
неподвижным слоем катализатора.
3.1. Определение рациональных режимных параметров синтеза
3.2. Определение максимального удельного выхода многослойных
углеродных нанотрубок
3.3. Математическое моделирование температурного поля вала промышленного реактора си нтеза многослойных углеродных наиотрубок с подогреваемой подложкой.
3.4. Последовательность расчета реактора синтеза многослойных
углеродных нанотрубок.
Выводы по главе 3
ГЛАВА 4. Разработка новых конструкций реакторов для получения многослойных углеродных
нанотрубок
4.1. Конструкция реактора с
перемешивающими устройствами
4.2. Рекомендации для проектирования промышленного реактора синтеза многослойных углеродных нанотрубок
4.3. Реализация результатов работы.
Выводы по главе 4.
Основные результаты и выводы по работе.
Список использованных источников


Построена статистическая модель каталитического газофазного химического осаждения наноуглерода из пропан-бутановой смеси на поверхности ЫЮ/М^О катализатора, позволяющая определить условия синтеза многослойных углеродных нанотрубок, обеспечивающие энерго- и ресурсосберегающие режимы эксплуатации промышленного оборудования. Практическая ценность результатов работы состоит в следующем. Спроектирована и изготовлена установка для исследования кинетики процесса синтеза МУНТ, реализующая данный метод. Предложено размещение нагревательных элементов, обеспечивающее локальный обогрев реакционной зоны промышленного реактора, что позволяет контролировать температуру катализатора, уменьшить количество образующегося аморфного углерода, а также снизить температуру конструкцио шых элементов. Экспериментально показана необходимость снижения диффузионного сопротивления поверхностного слоя материала механической активацией с целью увеличения производительности реактора. Разработана математическая модель температурного поля составного вала привода диска реактора синтеза МУНТ с подогреваемой подложкой, использованная для расчета геометрических характеристик конструкционных элементов реактора в рабочих условиях, обеспечивающих требуемый гидродинамический режим движения газовой фазы в реакционной области. Разработана уточненная методика расчета реакторов с неподвижным слоем катализатора для синтеза МУНТ заданной производительности. Определены основные конструкционные параметры промышленного реактора с подогреваемой подложкой и сниженным в 2 раза энерго! I огреб Л е! IИ 6М. Разработана конструкция реактора с перемешивающими устройствами, позволяющими увеличить удельную производительность оборудования. Создана пилотная установка для получения МУНТ с неподвижным слоем катализатора производительностью г/час методом каталитического пиролиза пропан-бутановой смеси. Автор выносит на защиту результаты экспериментальных исследований процесса получения МУНТ в аппаратах с неподвижным слоем катализатора и подогреваемой подложкой; результаты экспериментального изучения кинетики процесса синтеза углеродных нанотрубок; экспериментально-статистическую модель каталитического пиролиза пропан-бута! МУНТ; конструкцию промышленного реактора синтеза МУНТ. Задачей данного обзора является рассмотрение методов синтеза углеродных наноструктурных материалов (УНМ), поскольку эти методы важны для дальнейшего развития исследований и разработок, связанных с УНМ. Они должны заложить основы будущего производства. В г. Гарри Крото и Ричард Смоли [1] с сотрудниками сообщили, что в масс-спектрах паров графита, полученных его испарением под лазерным пучком, имеются ряд интенсивных пиков, отвечающих кластерам (или многоатомным молекулам) углерода. Наиболее стабильными из них оказались Сбо и С7о (рис. Как выяснилось в результате структурного анализа, первый из них имел форму футбольного, а второй - регбийского мяча. Впоследствии их стали называть фуллеренами в честь американского архитектора Фуллера, получившего в г. Открытая форма углерода являлась новой по существу. В противоположность алмазу и графиту, структура которых представляет собой периодическую решетку атомов, третья форма кристаллического углерода (фуллерены) является молекулярной. Каркас молекулы Сбо состоит из правильных пятиугольников (нентагонов) и неравносторонних шестиугольников (гсксагонов) [3]. Рис. Структура закрытого торца трубки является подобной или производной от фуллерена С. Рисунок 1. Строение нанотрубок [7]. Не содержащая дефектов однослойная углеродная нанотрубка представляет собой свернутую в виде цилиндра ленту с упаковкой атомов по типу графита. Нанотрубки могут иметь дефекты: деформации типа изгибов и соединений нанотрубок. Другой класс дефектов вызван примесями, которые остаются после синтеза нанотрубок, например, остатки катализатора и носителя [7, ]. Многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ) (рис. ОУНТ с различными диаметрами. Различие в микроструктуре этих материалов приводит и к различиям в их свойствах. Присутствие дефектов может также привести к различным новым структурам типа тройников с плавными отводами или соединений ОУНТ. При некоторых обстоятельствах эти дефекты могут быть получены «управляемым» процессом синтеза [].