Разработка методики расчета и конструкции реактора синтеза углеродных нанотрубок

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА И КОНСТРУКЦИИ РЕАКТОРА СИНТЕЗА УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК

Блинов Сергей Валентинович

Тамбов 2009

Работа выполнена на кафедре «Техника и технологии машиностроительных производств» ГОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Ткачев Алексей Григорьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Теруков Евгений Иванович

доктор технических наук, профессор Нагорнов Станислав Александрович

Ведущая организация: Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН), г. Москва

Защита диссертации состоится «___» ___________ 2009 г. в ___ часов на заседании диссертационного совета Д 212.260.02 Тамбовского государственного технического университета по адресу: г. Тамбов, ул. Ленинградская, 1, ауд. 60.

Отзывы на автореферат, скрепленные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д212.260.02.

Автореферат разослан «___» ___________ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доцент В.М. Нечаев

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы: Одной из наиболее перспективных областей нанотехнологий является синтез углеродных наноматериалов (УНМ). Среди УНМ особое место занимают многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ), которые при диаметре 10 ч 80 нм и длине до нескольких мкм образуют самостоятельный класс нанообъектов. МУНТ обладают рядом уникальных свойств и могут успешно использоваться в качестве наполнителей композиционных материалов, элементов радиоэлектроники, добавок в смазочные материалы, высокоэффективных адсорбентов, газораспределительных слоев топливных элементов, аккумуляторов водорода, и т.д.

Несмотря на значительное количество научно-исследовательских работ, посвященных вопросам получения МУНТ, большая их часть направлена на разработку методов синтеза МУНТ в лабораторных условиях, позволяющих получать небольшое количество нужного продукта.

Синтез МУНТ методом каталитического газофазного химического осаждения (ГФХО) является наиболее адаптированным для промышленного производства. Поэтому разработка новых конструкций реакторов для получения углеродных нанотрубок и создание методики их расчета являются актуальными научными и практическими направлениями.

Работа выполнена в соответствии с приоритетным направлением развития науки, технологий и техники в Российской Федерации «Индустрия наносистем и материалов», поддержана грантами Российского Фонда фундаментальных исследований (РФФИ) № 06-08-00730-а, в рамках Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002 - 2006 гг. (государственный контракт № 02.438.11.7012 от 19.08.2005), Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 - 2012 гг.» по теме «Технологии и оборудование для получения однослойных и многослойных углеродных нанотрубок высокой степени чистоты» (государственный контракт № 02.523.11.3001 от 16 мая 2007 года).

Цель работы. Теоретическое и экспериментальное исследование процесса синтеза МУНТ газофазным химическим осаждением из пропан-бутановой смеси в присутствии неподвижного слоя полидисперсного катализатора; разработка новых конструкций реакторов для получения углеродных нанотрубок заданного качества и морфологии; уточнение инженерной методики расчета реакторов на заданную производительность по МУНТ.

Научная новизна работы заключается в следующем.

Экспериментально исследовано влияние режимных характеристик (температура слоя катализатора, расход углеродсодержащего сырья, время проведения процесса) на удельную производительность и качество многослойных углеродных нанотрубок, синтезируемых методом каталитического газофазного химического осаждения в аппаратах емкостного типа.

Построена статистическая модель каталитического газофазного химического осаждения наноуглерода из пропан-бутановой смеси на поверхности NiO/MgO катализатора, позволяющая определить условия синтеза многослойных углеродных нанотрубок, обеспечивающие энерго- и ресурсосберегающие режимы эксплуатации промышленного оборудования.

Практическая ценность результатов работы состоит в следующем.

Разработан метод исследования кинетики процесса синтеза углеродных нанотрубок, основанный на измерении электромагнитных характеристик синтезируемого материала, находящегося в реакционной зоне, который позволил определить продолжительность основных стадий процесса образования углеродных нанотрубок. 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 конструкционных 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 энергопотреблением.

Разработана конструкция реактора с перемешивающими устройствами, позволяющими увеличить удельную производительность оборудования.

Создана пилотная установка для получения МУНТ с неподвижным слоем катализатора производительностью 30 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-бутановой смеси; методику расчета основных режимных и конструктивных параметров реактора синтеза МУНТ; конструкцию промышленного реактора синтеза МУНТ.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на следующих конференциях: IX Международной конференции «Водородное материаловедение и химия углеродных наноматериалов»: (Севастополь, 2005), Международной научно-практ. конф. «Достижения ученых XXI века» (Тамбов, 2005), XI науч. конф. ТГТУ «Фундаментальные и прикладные исследования, инновационные технологии, профессиональное образование» (Тамбов, 2006), Всероссийской конференции инновационных проектов аспирантов и студентов «Индустрия наносистем и материалы» (Москва, 2006), VIII Всероссийской выставке научно технического творчества молодежи (Москва, 2008), XV Международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века» (Донецк 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ, из них 12 статей (2 в журналах, рекомендованных ВАК РФ), 4 тезисов докладов и 3 патента РФ. углеродный нанотрубка катализатор реактор

Объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения, содержит 140 страниц основного текста, 34 рисунка, 6 таблиц, 6 приложений и список использованных источников из 140 наименований.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель работы, ее научная новизна и практическая значимость, основные положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе проведен анализ методов синтеза углеродных наноструктурных материалов. Среди методов получения УНМ выделяются следующие:

1) дуговой способ;

2) лазерная абляция (испарение графита с помощью лазера);

3) синтез из углеродсодержащих газов:

- диспропорционирование СО;

- пиролиз углеродсодержащих газов.

Из возможных методов получения МУНТ для реализации в промышленности наиболее приемлемым является каталитический пиролиз углеводородов в реакторах с неподвижным слоем катализатора. Данный метод характеризуется простотой конструктивного оформления, низкой стоимостью исходных компонентов, позволяет управлять процессом синтеза и изменением режимных параметров.

Основную роль при синтезе МУНТ каталитическим пиролизом углеводородов играют катализаторы. Для получения углеродных наноматериалов выбран катализатор, полученный методом термического разложения нитратов Ni и Mg в установке на базе аппарата пульсирующего горения (АПГ) (Патент РФ на полезную модель № 67095).

Часто используемый в настоящее время рекуперационный нагрев реакционной зоны реактора имеет ряд недостатков:

- возможность термического пиролиза в объеме реактора с образованием неструктурированных форм углерода;

- тепловая инерционность оборудования, что не позволяет обеспечить требуемый тепловой режим реактора.

Для более равномерного прогрева слоя катализатора представляется рациональным использовать локальный подогрев подложки с размещенным на ней слоем катализатора.

Первая глава завершается формулировкой задач исследования.

Во второй главе представлены результаты экспериментальных работ, методика их проведения и конструкции экспериментальных установок.

Для выбора углеродсодержащего газа, обеспечивающего в процессе пиролиза наибольший выход углерода, был проведен расчет параметров равновесия.

Для определения равновесного состава составлена программа на языке Free Pascal. В основу работы программы положен следующий алгоритм.

Вводятся исходные данные: условная формула вещества, подлежащего термическому разложению, температура T и давление p.

Для заданной температуры по аппроксимационным зависимостям, составленным по таблицам термодинамических функций, определяются значения Iq, Iqs, , , lnKq компонентов, появление которых потенциально возможно в продуктах пиролиза.

Задаются значения неизвестных lnpj в нулевом приближении.

Определяются величины, необходимые для образования системы линеаризованных уравнений.

Производится преобразование исходной системы уравнений по компактной схеме и ее решение метода Гаусса. Далее определяются поправки к величинам lnpj и lnM, а затем производится уточнение неизвестных и контроль точности вычислений. Если решение не достигнуто, расчет повторяется с использованием новых значений.

Использование данного метода расчета позволяет определить количество конденсированного углерода при пиролизе различных углеводородов (метан, пропан-бутан и ацетилен) в зависимости от температуры (рис. 1).

Рис. 1. Зависимости выхода твердого углерода (массовые доли) от температуры при пиролизе различных углеводородов.

Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что наибольшее количество твердого углерода образуется при пиролизе ацетилена.

Но чем больше отношение С:Н в углеводороде, тем ниже его термическая устойчивость. Ацетилен отличается от других углеводородов тем, что он термодинамически неустойчив при температурах, близких к комнатной.

Рис. 2. Установка для изучения кинетики процесса образования МУНТ

В работе получено решение, позволяющее оценить количество конденсированного углерода при пиролизе различных углеводородов. Анализ полученных данных позволяет сделать вывод об эффективности выбора пропан-бутановой смеси как углеводородного сырья для получения углеродных нанотрубок каталитическим пиролизом.

Для проведения экспериментальных исследований выявлены основные факторы, влияющие на процесс каталитического пиролиза: количество катализатора, расход углеводорода, температура слоя катализатора, время пиролиза.

При проведении экспериментальных исследований процесса синтеза углеродных нанотрубок в качестве углеродсодержащего сырья использовалась пропан-бутановая смесь (C3H8/C4H10=30%/70%) и инертный газ - аргон (Ar) баллонного хранения. Для изучения кинетики процесса синтеза МУНТ гравиметрическим методом использовалась лабораторная установка с вертикальным трубчатым реактором (рис. 2).

Удельный выход наноструктурного углерода Ky, определяли соотношением:

Ky = (mпр - mкат)/mкат,

где Ky - удельный выход наноматериалов, гC/гkt; mкат - масса катализатора, загруженного в реактор, г; mпр - масса полученного продукта.

Рис. 3. Зависимость удельного выхода МУНТ (Ky) от времени пиролиза (?)

Экспериментальные исследования по изучению зависимости Ky УНТ от времени процесса проводились при температуре 620 ± 5 °C и расходе углеводорода 9 ± 0,5 л/ч.

Начальный период времени (? 4 мин) характеризует стадию восстановления до металла оксидов Ni, накопления свободного углерода и образования зародышей МУНТ. Активная фаза синтеза длится 8…10 мин и обеспечивает Ky в пределах 15 гC/гkt. В дальнейшем рост наноструктур прекращается (рис. 3).

Для определения влияния толщины слоя катализатора hk на Ky в «лодочку» помещались различные навески катализатора (средняя насыпная плотность сk ? 400 кг/м3) и распределялись равномерным слоем по всей поверхности (Sлод = 0,1·10-3 м2). Толщина слоя катализатора варьировалась в пределах hk = 0,05…2 мм. Было установлено, что для обеспечения максимальной производительности реактора в сочетании с рациональным использованием катализатора следует использовать hk = 0,3 мм. С увеличением толщины слоя наблюдали существенное падение выхода МУНТ из-за ухудшения гидродинамических режимов протекания синтеза. В нижних слоях катализатора отсутствуют условия (концентрация C, активность Ni), способствующие зародышеобразованию и интенсивному росту МУНТ.

Рис. 4. Микроструктура полученных материалов

Эта толщину слоя катализатора в дальнейшем использовалась при проведении оценочных экспериментов и определении режимных параметров опытно-промышленной установки синтеза МУНТ.

Проведенные эксперименты позволили установить закономерности кинетики процесса синтеза МУНТ (рис. 4) в реакторе проточного типа, выявить зависимость Ky от основных режимных параметров.

Данные исследования, выполненные на начальном этапе проведения работ, позволили убедиться в том, что при использовании пропан-бутановой смеси и катализатора данной рецептуры и технологии получения, возможен синтез МУНТ. Для более детального изучения кинетики процесса образования МУНТ была спроектирована и изготовлена экспериментальная установка (рис. 5).

Рис. 5. Реактор для исследования процесса получения волокнистых углеродных структур

Для контроля за процессами, происходящими в реакционной зоне, были установлены датчики 1, соединенные через разъем 2 с преобразователем. Поступающий газ подвергался каталитическому пиролизу, сопровождаемому образованием МУНТ. Отработанный газ выходил через каналы крышки 3 и, отражаясь от керамического фланца 4, удалялся из реактора через отверстие 5. По завершению синтеза производилось отключение подачи углеродсодержащих газов и сразу же подавался аргон. Таким образом удалось зафиксировать отдельные кинетические стадии синтеза. Подобная конструкция реактора позволяла осуществлять визуальное наблюдение за процессом роста наноструктур, упростить контроль за температурой синтеза бесконтактными методами (оптический пирометр).

В основу работы преобразователя было положено свойство материалов, находящихся в реакционной зоне, изменять свои электрофизические характеристики в процессе синтеза.

Анализ результатов проведенных экспериментов при одних и тех же условиях (T = 620 5 С, QAr = 50 мл/мин, QCxHy = 60 мл/мин) позволил сделать вывод о наличии характерных стадий протекания процессов в экспериментальном реакторе: стадия вытеснения инертного газа, изменение свойств катализаторной массы в ходе восстановления оксидов Ni до металла, период зарождения и активного роста МУНТ.

Рис. 6. Изображение наноструктуры

Своевременное прекращение синтеза в момент завершения роста наноструктур, реализованное в рамках данного эксперимента, позволило не только оптимизировать время проведения процесса, но и получить МУНТ с высокими качественными характеристиками. Как следует из данных сканирующей микроскопии (рис. 6), синтезируемый материал почти полностью состоит из трубчатых наноструктур с узким диапазоном диаметров (15…20 нм) с минимальным содержанием аморфного углерода (< 1 %) (рис. 6).

Рис. 7. Реактор для получения МУНТ: 1 - корпус реактора; 2, 5 - нагревательный элемент; 3 - газораспределительное устройство; 4 - подложка; 6 - слой катализатора; 7 - штуцеры для подачи и отвода газов; 8 - термопара; 9 - измеритель регулятор.

Для исследования режимных параметров процесса синтеза МУНТ методом ГФХО на неподвижном слое катализатора были спроектированы и изготовлены лабораторный и пилотный реакторы периодического действия с диаметром реакционной зоны 130 мм и 340 мм; высотой 220 мм и 500 мм; диаметром подложки 124 мм и 320 мм соответственно.

Синтез проводили при атмосферном давлении в диапазоне температур 500…700 °С, время пиролиза варьировали в интервале 5…30 мин. По окончании процесса реактор охлаждали в токе аргона. Максимальный Ky достигался приблизительно через 35 мин с начала процесса.

Несмотря на различные условия проведения процесса синтеза МУНТ в используемых реакторах максимальное значение Ky составило примерно 12 гC/гkt.

Проведенный анализ результатов исследования эффективности синтеза в зависимости от температуры позволил выяснить наиболее благоприятный температурный диапазон - 640…650°С. Дальнейший рост температуры вызывал ускорение пиролиза и, как следствие, накопление избыточного количества свободного углерода. Это способствовало образованию его аморфной составляющей, экранирующей поверхность активных центров зародышеобразования МУНТ. В результате активность катализатора падала, а количество синтезируемых МУНТ резко уменьшалось.

Установлено, что с увеличением расхода углеводорода, подаваемого в реактор, удельный выход образовавшегося продукта растет. Максимальный удельный выход достигался при QCxHy = 80 л/ч и QCxHy = 100 л/ч для лабораторного и пилотного реакторов соответственно. Однако при дальнейшем увеличении расхода количество отложившегося углерода уменьшается. В этом случае каталитические частицы покрываются углеродными слоистыми отложениями, способствующими дезактивации катализатора.

Полученные экспериментальные данные о режимах проведения процесса получения МУНТ в реакторах с неподвижным слоем катализатора были использованы в реакторе с подогреваемой подложкой (рис. 7). Данный способ получения МУНТ методом ГФХО является наиболее целесообразным, т.к. он позволяет существенно снижать количество аморфного углерода в готовом продукте из-за предотвращения процессов некаталитического пиролиза в объеме реактора, а также допускает более качественное управление процессом синтеза МУНТ.

Рис. 8. Изображение полученных материалов

Как показывают исследования, выполненные с помощью сканирующего электронного микроскопа, полученный материал представляет собой многослойные углеродные нанотрубки диаметром 10 - 40 нм и длиной до 160 мкм с коническим расположением слоев (рис. 8). Полученные результаты позволяют наметить пути дальнейшего совершенствования технологии синтеза МУНТ и создания реакторов с принципиально новым конструктивным оформлением реакционной зоны.

В третьей главе приведена методика расчета реактора для получения МУНТ с неподвижным слоем катализатора.

Расчет ведут в следующей последовательности.

1. Расчет массы катализатора.

,

где ф1 - время выхода на режим, мин. (определяется скоростью нагрева. В ходе проведения экспериментов на аппаратах различной производительности скорость нагрева составляла 10…15 С/мин.);

ф 2 - время роста УНТ, мин. (25…35 мин.);

ф 3 - время охлаждения, мин. (определяется скоростью охлаждения. В ходе проведения экспериментов на аппаратах различной производительности скорость охлаждения составляла 20…30 С/мин.);

ф4 - время на перезагрузку катализатора, мин. (30 мин.);

U - удельный выход продукта, г/гкат

Для определения максимального удельного выхода УНТ для данного типа реакторов используется следующая методика расчета.

Скорость изменения (уменьшения) активных центров катализатора пропорциональна их количеству. Если N - количество активных центров в момент времени ф, то эту зависимость можно записать так:

,

где k - положительный коэффициент, характеризующий катализатор (при фиксированных остальных параметрах процесса). Знак «минус» в правой части указывает на то, что N убывает со временем.

Уравнение (2) может быть применено в том случае, если рассматривать не абсолютное количество активных центров, а относительное , где N0 - количество активных центров в момент времени ф = 0. В таком виде удобнее задавать начальные условия при интегрировании дифференциального уравнения (2).

Решение уравнения (2) при начальном условии N' = 1 при ф = 0 дает

.

Количество образующегося углеродного наноматериала M в процессе каталитического пиролиза можно считать пропорциональным количеству активных центров катализатора в тот же момент времени

.

Зависимость удельного выхода углеродного наноматериала U от времени представляет интегральную зависимость по отношению к (4).

В результате интегрирования получим

.

Постоянная интегрирования С определяется из условия Q(0) = 0, тогда выражение (6) получит вид

.

Аппроксимация экспериментальных данных зависимостью (6) дает

.

По зависимости (7) может быть рассчитано предельное значение выхода углеродного наноматериала

.

В приведенном случае Qпред = 12,4375 г/гкат.

2. Расчет необходимого расхода газа Vг, м3/с.

Vг=3,610-6kгmкат,

где kг - удельный расход газа, л/гч. (Экспериментально установлено, что целесообразно задаваться значением kг из диапазона 8…12 л/гч).

3. Расчет объема катализатора - Vкат, м3

,

где скат - насыпная плотность катализатора (скат = 650 кг/м3)

4. Расчет диаметра подложки - D, м

,

Экспериментально установлено, что предельная высота неподвижного слоя катализатора для синтеза УНТ составляет hk 0,3 мм. Величины такого же порядка получены и другими авторами.

Высота реакционной зоны L выбирается исходя из конструктивной необходимости размещения в реакционном объеме газораспределительного устройства и нагревательных элементов, а также исходя из значения максимального зазора между подложкой и газораспределительным устройством.

5. Расчет величины температурного удлинения вала

Вал целесообразно изготавливать составным. Его нижняя часть открыта и омывается цеховым воздухом. Верхняя часть будет частично расположена в обогреваемой зоне реактора, а частично закрыта кожухом.

Для расчета температурного удлинения вала в рабочих условиях разработана математическая модель стационарного температурного поля составного вала.

Введем следующие допущения.

1. Температура верхней части вала, расположенной в обогреваемой зоне, равна температуре рабочей зоны.

2. Перепад температур в поперечном сечении вала отсутствует.

3. Теплопроводность материала вала не зависит от температуры.

4. Каждая из частей вала имеет постоянное сечение.

Постановка задачи теплопроводности

,

.

.

Здесь индекс «1» указывает на верхнюю часть вала, индекс «2» - на нижнюю,

и .

Здесь х - координата, направленная вдоль оси вала, м,

t(х) - текущая температура вала, оС,

б - коэффициент теплоотдачи от поверхности вала к окружающей среде, Вт/(м2*К);

П - периметр сечения вала, м,

F - площадь сечения вала, м2,

л - теплопроводность материала вала, Вт/(м*К);

tс - температура окружающей среды, оС,

t0 - температура «горячего» торца вала, оС,

L - длина участка вала, м.

Общее решение уравнений (1), (2) имеет вид:

Коэффициенты С1 и С2 определяются из граничных условий (13) - (16):

,

Расчетное температурное удлинение вала в рабочем режиме составляет 2,8 мм.

Таким образом, расчет основных геометрических и режимных параметров проводят, основываясь на методике расчета и рекомендациях по конструированию, полученных в результате экспериментальных исследований процесса и данных, полученных на основе математического моделирования.

Четвертая глава посвящена разработке новой конструкции реактора для получения углеродных нанотрубок. По итогам проведения литературного обзора были выявлены недостатки существующих конструкций реакторов с неподвижным слоем катализатора:

- значительное содержание непрореагировавших продуктов в отводимых из реактора газах;

- присутствие непрореагировавшего катализатора в полученном материале;

- большие тепловые нагрузки на конструкционные элементы реактора;

- значительные энергозатраты на нагрев реакционной зоны.

Описанные недостатки снижают производительность оборудования и его надежность. При наличии указанных проблем возникает трудность в получении МУНТ с однородными структурой и свойствами.

Риc. 10. Реактор для получения УНТ с перемешивающими устройствами

На рис. 10 изображена конструкция реактора с перемешивающими устройствами, которые обновляют слой катализатора, увеличивая производительность реактора и значительно уменьшая количество неиспользуемого катализатора в полученном материале (Патент РФ на полезную модель № 69869).

В настоящее время перемешивающее устройство установлено на промышленном реакторе синтеза МУНТ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Спроектирована и изготовлена экспериментальная установка для изучения кинетики процесса синтеза многослойных углеродных нанотрубок.

2. Разработана методика оценки количества образующегося твердофазного углерода при пиролизе различных углеводородов. Обосновано использование пропан-бутановой смеси в качестве сырья для получения МУНТ методом ГФХО.

3. Выполнено экспериментальное исследование режимных параметров на процесс синтеза МУНТ методом ГФХО из пропан-бутановой смеси в присутствии неподвижного слоя полидисперсного катализатора, позволившее усовершенствовать технологию промышленного синтеза МУНТ.

4. Разработана математическая модель стационарного температурного поля составного вала привода подложки промышленного реактора синтеза МУНТ, позволившая рассчитать температурное удлинение приводного вала и изменение размеров газовых каналов в зависимости от изменения температуры.

5. Разработана инженерная методика расчета конструктивных и режимных параметров процесса синтеза МУНТ в реакторе с неподвижным слоем катализатора и подогреваемой подложкой, включающая определение необходимого времени проведения процесса и расхода сырья на основе статистической модели каталитического пиролиза пропан-бутановой смеси.

6. Разработаны усовершенствованные конструкции реакторов с повышенной удельной производительностью, с механической активацией поверхностного слоя материала, со сниженным в 2,5 раза количеством аморфного углерода в готовом продукте, позволяющие получать МУНТ с однородной структурой и свойствами.

7. Определены основные конструкционные параметры промышленного реактора синтеза МУНТ с подогреваемой подложкой, контролем температуры катализатора, сниженной температурой конструкционных элементов и со сниженным в 2 раза энергопотреблением.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Ткачев, А.Г. Углеродные наноматериалы на основе каталитического пиролиза углеводородов: состояние разработок и перспективы использования /А.Г. Ткачев, С.В. Блинов, Н.Р. Меметов // Водородное материаловедение и химия углеродных наноматериалов : IX междунар. конф. - Севастополь - Крым - Украина - Киев: Издательство «AHEU», 2005. - С. 474 - 475.

2. Ткачев, А.Г. Перспективы промышленного производства и использования нановолокон / А.Г. Ткачев, И.В. Золотухин, В.Л. Негров, Ю.В. Панин, А.Е. Маркова, С.В. Блинов // Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии: V Междунар. Конф. - Кисловодск, 2005. - С. 237 - 238

3. Ткачев, А.Г. Получение углеродных наноматериалов / А.Г. Ткачев, В.Л. Негров, С.В. Блинов // Достижения ученых XXI века: Междунар. научно-практ. конф. - Тамбов: Першина, 2005. - С. 74 - 76.

4. Блинов, С.В. Переход к промышленному производству углеродных наноматериалов масштабированием лабораторных реакторов / С.В. Блинов, Н.Р. Меметов // Труды ТГТУ. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2006. Вып. 19. - С. 49 - 53.

5. Ткачев, А.Г. Углеродные наноматериалы «Таунит»: исследование, производство, применение / А.Г. Ткачев, С.В. Мищенко, В.Н. Артемов, В.Л. Негров, Н.Р. Меметов, С.В. Блинов, Д.А. Турлаков //Нанотехника, 2006. №2(6). - С. 17-21

6. Блинов, С.В. Получение углеродных наноструктурных материалов методом каталитического пиролиза углеводородов / С.В. Блинов, Д.А. Турлаков, С.В. Рыбкин, В.В. Кожевников // Индустрия наносистем и материалы: Всеросс. конф. инновационных проектов аспирантов и студентов. - Москва, 2006. - С. 44-47.

7. Ткачев, А.Г. Исследование процесса получения углеродных наноструктурных материалов и организация их производства / А.Г. Ткачев, В.Л. Негров, Н.Р. Меметов, С.В. Блинов, Д.А. Турлаков // Химия поверхности и нанотехноология: III Всеросс. конф. - Санкт Петербург. - Хилово, 2006. -С. 194

8. Ткачев, А.Г. Создание инфраструктуры опытно-промышленного производства углеродных наноструктурных материалов CVD методом / А.Г. Ткачев, С.В. Блинов, Н.Р. Меметов, В.Л. Негров, Д.А. Турлаков // Российские технологии для индустрии: 10 Междунар. семинар-ярмарка. - Санкт Петербург, 2006. - С. 85.

9. Ткачев, А.Г. Промышленное производство и применение наноструктурных материалов "Таунит" / А.Г. Ткачев, В.Л. Негров, С.В. Блинов, Н.Р. Меметов, Д.А. Турлаков // Углеродные наноструктуры. - Минск - ИТИМ, 2006. - С. 142 - 147.

10. Ткачев, А.Г. Промышленное производство углеродных наноструктурных материалов и направление их использования / А.Г. Ткачев, В.Л. Негров, С.В. Блинов, Д.А. Турлаков // Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий: IV Междунар. Конф. - Жуковка, 2006. - С. 142.

11. Блинов, С.В. Влияние технологических параметров синтеза углеродных наноматериалов на производительность опытно-промышленного реактора / С.В. Блинов // 4 Междунар. конф.: Наука на рубеже тысячелетий. - Тамбов: Тамбовпринт, 2007. - С. 259-260.

12. Блинов, С.В. Исследование кинетики процесса получения углеродных нанотрубок / С.В. Блинов, Н.А. Колесникова // XIII научная конф. ТГТУ: Фундаментальные и прикладные исследования, инновационные технологии, профессиональное образование. - Тамбов: Издательство ТГТУ, 2008. - С. 116-119.

13. Ткачев, А.Г. Технологическая схема производства углеродного наноматериала «Таунит». / А.Г. Ткачев, А.А Пасько, И.Н. Шубин, А.А. Баранов, Н.Р. Меметов, Т.В. Пасько, С.В. Блинов, А.А. Ряшенцев // XV Междунар. научно-техническая конф.: «Машиностроение и техносфера XXI века». - Донецк 2008. - С. 214 - 218.

14. Блинов, С.В. Исследование кинетики процесса синтеза углеродных наноструктурных материалов / С.В. Блинов, А.Г. Ткачев, А.В. Рухов // Вестник ТГТУ. Том 14. № 2 2008, Тамбов, Издательство ТГТУ, С. 328 - 333.

15. Tkachev, A.G. Carbon nanomaterials on the base of catalytic hydrocarbon pyrolysis: development and perspective use / A.G. Tkachev, S.V. Blinov, N.R. Memetov // Hydrogen Materials Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials. - Springer, 2007. - С. 515 - 519.

16. Tkachev, A.G. Equipment for Producing of Nanostructural Carbonic Materials / A.G. Tkachev, N.R. Memetov, S.V. Blinov, D.A. Turlakov // Bulk Nanostructured Materials. - Ufa, 2007. - C. 325.

17. Патент РФ на полезную модель № 67096. Реактор для исследования процесса получения волокнистых структур / Заявл. 20.04.07; опубл. 10.10.07, Бюл. № 28. - 2 с.:ил. А.Г. Ткачев, Н.А. Барымов, С.В. Блинов, А.В. Рухов.

18. Патент РФ на полезную модель № 69869 РФ. Реактор для получения волокнистых углеродных структур каталитическим пиролизом / Заявл. 20.04.07; опубл. 10.01.08, Бюл. № 1. - 2 с.:ил. А.Г. Ткачев, А.А. Пасько, А.А. Баранов, С.В. Блинов, И.Н. Шубин, Н.Р. Меметов.

19. Патент РФ на полезную модель № 67095 РФ. Установка для получения катализатора / Заявл. 20.04.07; опубл. 10.10.07, Бюл. № 28. - 2 с.:ил. А.Г. Ткачев, А.А. Баранов, Н.Р. Меметов, А.А. Пасько, Т.В. Пасько, И.Н. Шубин, С.В. Блинов, С.В. Рыбкин.

Размещено на Allbest.ru