Реактор синтеза углеродных материалов
Реактор синтеза углеродных наноматериалов каталитическим пиролизом углеводородных газов, содержит снабженный узлом подачи углеводородного материала и линией отвода газообразных продуктов пиролиза корпус с нагревателем, выполненным в виде камеры пульсирующего горения, снабженной воздушным клапаном и размещенной в центральной части корпуса резонансной трубой, причем линия отвода продуктов пиролиза из корпуса соединена с камерой пульсирующего горения. Отличие заключается в том, что корпус разделен горизонтальной перегородкой в виде пакета резонансных труб на две соединенные перепускным трубопроводом полости, нижняя из которых соединена с линией подачи углеводородного материала, а соединенная с камерой пульсирующего горения верхняя камера является реакционной зоной, в которой слой катализатора помещен на пакете резонансных труб. Нижняя поверхность пакета импульсных труб снабжена теплозащитным экраном. Верхняя поверхность пакета импульсных труб выполнена в виде поддона. Реактор обеспечивает повышение производительности и упрощение конструкции.
2 з.п. ф-лы, 3 илл.
Полезная модель относится к оборудованию для получения волокнистых углеродных материалов методом пиролиза ароматических и неароматических углеводородов.
Технология получения волокнистых углеродных материалов заключается в проведении пиролиза углеводородных газов, либо углеродосодержащих материалов в присутствии катализаторов, преимущественно на основе дисперсного никеля, либо сплавов на его основе, а также других активных металлов с последующим охлаждением продуктов пиролиза.
Наиболее перспективными являются устройства, позволяющие обрабатывать исходные газообразные углеводородные продукты. В патенте США 
5 165909, МПК D01F 9/10, от 24 ноября 1992 года предпочтение отдано таким газам, как ацетилен (температура карбонизации 500°С) и метан (температура карбонизации ниже 1000°С). Согласно патенту пиролиз проводится в вертикальной печи, в верхней части которой расположены патрубок подачи углеводородного газа, ленточные нагреватели и бункер с катализатором. В нижней части бункера с катализатором установлен питательный клапан, который подает в реакционную зону печи катализатор в виде порошкообразного никеля с добавлением алюминия. В нижней части расположен второй патрубок подачи углеводородного газа. Расстояние между питающим клапаном и вторым патрубком подачи углеводородного газа является реакционной зоной, ниже которой расположено основание печи, снабженное фильтром, являющимся сборником готового продукта перед его выгрузкой.
Однако в такой печи полученные продукты пиролиза подвергаются длительному нагреву циркулирующим горячим газом, содержащим смесь углеводородного газа, продуктов пиролиза и катализатора, что может привести к термическому разложению готового продукта. Другим недостатком известного устройства является сложность создания равномерного температурного поля. Это приводит к снижению эффективности пиролиза из-за нестабильности состава получаемого продукта.
Известен реактор для получения углеродного материала каталитическим пиролизом углеводородных газов, содержащий корпус, узел подачи исходного реагента, штуцер загрузки катализатора, штуцер выгрузки готового продукта и линию отвода газообразных продуктов пиролиза, в котором нагреватель выполнен в виде камеры пульсирующего горения, снабженной запальником, воздушным клапаном и размещенной в центральной части корпуса резонансной трубой, причем линия отвода продуктов пиролиза из корпуса соединена с камерой пульсирующего горения. Линия подачи исходного реагента содержит рубашку, установленную в камере пульсирующего горения и соединена с коллектором с патрубком подачи газа, расположенными вокруг резонансной трубы. Вибратор выполнен в виде жестко соединенной с корпусом реактора камеры пульсирующего горения с резонансной трубой, установленной на упругих опорах. (См., Пат.РФ 2343188, МПК С01В 3/26, дата публикации 2009.01.10).
Недостатком такого устройства является низкая производительность процесса карбонизации, связанная ограниченностью зоны каталитического пиролиза, а также ограничениями по температуре из-за опасности перегрева продукта, приводящего к термическому разложению готового продукта, что влечет за собой ухудшение его свойств. Другим недостатком является сложность конструкции, обусловленная наличием подвижных частей.
Указанные недостатки обусловлены конструктивными признаками известного технического решения.
По совокупности общих признаков в качестве прототипа выбрано устройство по Пат. РФ 2343188.
Технический результат, обеспечиваемый полезной моделью, состоит в обеспечении повышения производительности и упрощение конструкции.
Указанный результат достигается тем, что в реакторе синтеза углеродных наноматериалов каталитическим пиролизом углеводородных газов, содержащий снабженный узлом подачи углеводородного материала и линией отвода газообразных продуктов пиролиза корпус, снабженный нагревателем, выполненным в виде камеры пульсирующего горения, снабженной воздушным клапаном и размещенной в центральной части корпуса резонансной трубой, причем линия отвода продуктов пиролиза из корпуса соединена с камерой пульсирующего горения, согласно полезной модели корпус разделен горизонтальной перегородкой в виде пакета резонансных труб на две соединенные перепускным трубопроводом полости, нижняя из которых соединена с линией подачи углеводородного материала, а соединенная с камерой пульсирующего горения верхняя камера является реакционной зоной, в которой слой катализатора помещен на пакете резонансных труб.
Нижняя поверхность пакета импульсных труб снабжена теплозащитным экраном.
Верхняя поверхность пакета импульсных труб выполнена в виде поддона.
Между отличительными признаками и достигаемым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь.
Разделение корпуса горизонтальной перегородкой в виде пакета резонансных труб на две соединенные перепускным трубопроводом полости, нижняя из которых соединена с линией подачи углеводородного материала, а соединенная с камерой пульсирующего горения верхняя камера является реакционной зоной, в которой слой катализатора помещен на пакете резонансных труб обеспечивает повышение производительности устройства за счет интенсификации процесса подогрева углеводородного материала сначала предварительного подогрева в нижней камере и окончательного- в верхней камере. Интенсификация процесса достигается также за счет помещения катализатора на пакете резонансных трубок, которым при работе камеры пульсирующего горения придаются вынужденные микроколебания, обеспечивающее перемешивание катализатора в слое. Одновременно упрощается конструкция реактора за счет исключения движущихся узлов и деталей.
Снабжение нижней поверхности пакета импульсных труб теплозащитным экраном обеспечивает повышение качества конечного продукта за счет исключения перегрева углеводородного газа в слое, непосредственно прилегающего к пакету резонансных труб.
Выполнение верхней поверхности пакета импульсных труб в виде поддона обеспечивает непосредственный нагрев катализатора теплом выходящего из камеры импульсного горения продуктов сгорания..
По имеющимся у заявителя сведениям, совокупность существенных признаков заявляемой полезной модели не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию "новизна".
Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность полезной модели, может быть многократно использована в производстве различных модификаций реакторов для синтеза волокнистых углеродных материалов с получением технического результата, заключающегося в повышении производительности и упрощении конструкции реактора, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию "промышленная применимость".
Сущность заявляемой полезной модели поясняется примером конкретного выполнения, где на фиг.1 показан общий вид реактора для синтеза углеродных наноматериалов, вид спереди; на фиг.2 - то же, вид сбоку; на фиг.3 показано то же, что на фиг.1, вид сверху.
Реактор синтеза углеродных наноматериалов каталитическим пиролизом углеводородных газов содержит корпус 1, соединенный с камерой пульсирующего горения 2 пакетом резонансных труб 3. Камера пульсирующего горения 2 снабжена аэродинамическим клапаном 4 и патрубком подачи топлива 5. Пакет резонансных труб 3 делит корпус 1 на две полости.: снабженную патрубком 6 подачи углеводорода нижнюю камеру 7 и верхнюю камеру 8, соединенную трубопроводом 9 с камерой 7. Камера 8 соединена с камерой пульсирующего горения 2, линией 10 отвода продуктов. На нижней поверхности пакета резонансных труб 3 закреплен теплозащитный экран 11. Катализатор 12 помещен на верней поверхности паента резонансных труб 3.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. На верхнюю поверхность пакета резонансных труб 3 помещается слой катализатора 12. Через патрубок 5 подается топливо в камеру пульсирующего горения 2. и камера включается в работу. Продукты сгорания чрез трубы пакета импульсных труб 3, отдав тепло камерам 7 и 8 корпуса 1, удаляются в окружающее пространство. Через патрубок 6 в камеру 7 подается углеводородный исходный материал, который в камере 7 движется вдоль пакета импульсных труб 3 разогревается до температуры примерно 400°С. От перегрева углеводородный газ предохраняет теплозащитный экран 11. Дойдя до противоположного впуску конца камеры 7, углеводородный газ по трубопроводу 9 поступает в камеру 8., в которой взаимодействует с разогретым до температуры каталитического пиролиза слоем катализатора 12. Не прореагировавший с катализатором газ и газообразные продукты пиролиза по трубопроводу 10 поступают через аэродинамический клапан 4 камеру пульсирующего горения 2. После окончания процесса каталитического пиролиза подача топлива и подача углеводородного газа прекращается и готовый продукт выгружается из реактора
Предлагаемое устройство просто в аппаратурном исполнении и обеспечивает повышение производительности.
1. Реактор синтеза углеродных наноматериалов каталитическим пиролизом углеводородных газов, содержащий снабженный узлом подачи углеводородного материала и линией отвода газообразных продуктов пиролиза корпус, снабженный нагревателем, выполненным в виде камеры пульсирующего горения, снабженной воздушным клапаном, и размещенной в центральной части корпуса резонансной трубой, причем линия отвода продуктов пиролиза из корпуса соединена с камерой пульсирующего горения, отличающийся тем, что корпус разделен горизонтальной перегородкой в виде пакета резонансных труб на две соединенные перепускным трубопроводом полости, нижняя из которых соединена с линией подачи углеводородного материала, а соединенная с камерой пульсирующего горения верхняя камера является реакционной зоной, в которой слой катализатора помещен на пакете резонансных труб.
2. Реактор синтеза углеродных наноматериалов каталитическим пиролизом углеводородных газов по п.1, отличающийся тем, что нижняя поверхность пакета импульсных труб снабжена теплозащитным экраном.
3. Реактор синтеза углеродных наноматериалов каталитическим пиролизом углеводородных газов по п.1, отличающийся тем, что верхняя поверхность пакета импульсных труб выполнена в виде поддона.
