Установка для синтезу вуглецевих наноматеріалів

Реферат: Установка для синтезу вуглецевих наноматеріалів містить електророзрядний реактор, який має заповнений робочою органічною рідиною циліндричний корпус з днищем, кришкою, підвідним та відвідним патрубками і позитивним електродом, який розміщений співвісно осі реактора. Генератор імпульсних струмів з'єднаний з позитивним та негативним електродами електророзрядного реактора. Бак-накопичувач встановлений вище рівня електророзрядного реактора і з'єднаний з його підвідним патрубком. Фільтрувальний пристрій з'єднаний з відвідним патрубком електророзрядного реактора. Насос, всмоктувальний патрубок якого з'єднаний з фільтрувальним пристроєм, а нагнітальний - з баком-накопичувачем. Додатковий електророзрядний реактор, нижня частина якого з'єднана з верхньою частиною фільтрувального пристрою, а верхня трубопроводом відводу газу з'єднана з газозбірником Установка оснащена піролітичним реактором у вигляді термостійкого корпусу, на бічній поверхні якого закріплено нагрівальний елемент, кінці якого з'єднані з виводами автотрансформатора, та ємністю для збору вуглецевих наноматеріалів, нижня частина якої з'єднана з трубопроводом відводу газу з додаткового електророзрядного реактора, а верхня - з нижньою частиною піролітичного реактора. Верхня частина піролітичного реактора з'єднана з газозбірником водню. UA 83143 U (54) УСТАНОВКА ДЛЯ СИНТЕЗУ ВУГЛЕЦЕВИХ НАНОМАТЕРІАЛІВ UA 83143 U UA 83143 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до синтезу вуглецевих наноматеріалів електророзрядними методами. Відома установка для одержання вуглецевих наноструктур (Патент України на корисну модель № 55578, МПК (2010) С01В31/00, опубл. 10.12.2010, Бюл. № 23), що містить електророзрядний реактор, який має заповнений робочою органічною рідиною циліндричний корпус з днищем, кришкою, підвідним та відвідним патрубками і розміщеним в корпусі співвісно його осі позитивним електродом, генератор імпульсних струмів, з'єднаний з позитивним та негативним, яким є циліндричний корпус, електродами, бак-накопичувач, який встановлений вище рівня електророзрядного реактора і з'єднаний з його підвідним патрубком, фільтрувальний пристрій, який з'єднаний з відвідним патрубком електророзрядного реактора, насос, що перекачує робочу рідину з фільтрувального пристрою до бака-накопичувача, причому підвідний патрубок електророзрядного реактора розміщений в його днищі, а відвідний - на бічній поверхні циліндричного корпусу в верхній його частині. Ознаками, що збігаються з суттєвими ознаками установки, що заявляється, є такі: електророзрядний реактор, який має заповнений робочою органічною рідиною циліндричний корпус з днищем, кришкою, підвідним та відвідним патрубками і позитивним електродом, який розміщений співвісно осі реактора, генератор імпульсних струмів, який з'єднаний з позитивним та негативним електродами електророзрядного реактора, бак-накопичувач, який встановлений вище рівня електророзрядного реактора і з'єднаний з його підвідним патрубком, фільтрувальний пристрій, який з'єднаний з відвідним патрубком електророзрядного реактора, та насос, всмоктувальний патрубок якого з'єднаний з фільтрувальним пристроєм, а нагнітальний з баком-накопичувачем. До причин, що перешкоджають одержанню очікуваного технічного результату треба віднести відсутність обладнання для обробки газу, який утворюється в процесі електророзрядної обробки органічної рідини, в результаті чого вуглець та водень, що містяться в цьому газі, викидаються (потрапляють) в атмосферу, це не дозволяє збільшити вихід вуглецевих наноструктур. Найбільш близькою за сукупністю ознак до корисної моделі, що заявляється, є установка для одержання вуглецевих наноматеріалів (Заявка № u2012 09479 з рішенням про видачу патенту № 27363/ЗУ/12 від 24.12.2012, МПК (2012.01) С01В31/00, В82В3/00), що містить електророзрядний реактор, який має заповнений робочою органічною рідиною циліндричний корпус з днищем, кришкою, підвідним та відвідним патрубками і позитивним електродом, який розміщений співвісно осі реактора, генератор імпульсних струмів, який з'єднаний з позитивним та негативним електродами електророзрядного реактора, бак-накопичувач, який встановлений вище рівня електророзрядного реактора і з'єднаний з його підвідним патрубком, фільтрувальний пристрій, який з'єднаний з відвідним патрубком електророзрядного реактора, та насос, всмоктувальний патрубок якого з'єднаний з фільтрувальним пристроєм, а нагнітальний з баком-накопичувачем, і оснащена додатковим електророзрядним реактором, нижня частина якого з'єднана з верхньою частиною фільтрувального пристрою, газовим фільтром, який з'єднаний з верхньою частиною додаткового електророзрядного реактора, та газозбірником водню, який з'єднаний з верхньою частиною газового фільтра. Ознаками, що збігаються з суттєвими ознаками установки, що заявляється, є такі: містить електророзрядний реактор, який має заповнений робочою органічною рідиною циліндричний корпус з днищем, кришкою, підвідним та відвідним патрубками і позитивним електродом, який розміщений співвісно осі реактора, генератор імпульсних струмів, який з'єднаний з позитивним та негативним електродами електророзрядного реактора, бак-накопичувач, який встановлений вище рівня електророзрядного реактора і з'єднаний з його підвідним патрубком, фільтрувальний пристрій, який з'єднаний з відвідним патрубком електророзрядного реактора, насос, всмоктувальний патрубок якого з'єднаний з фільтрувальним пристроєм, а нагнітальний з баком-накопичувачем, додатковий електророзрядний реактор, нижня частина якого з'єднана з верхньою частиною фільтрувального пристрою, а верхня трубопроводом відводу газу з'єднана з газозбірником водню. До причин, що перешкоджають одержанню очікуваного технічного результату треба віднести відсутність обладнання для додаткової електророзрядної обробки газу, який утворюється в процесі електророзрядної обробки органічної рідини і не повністю розклався в додатковому електророзрядному реакторі, що призводить до неповної його переробки. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення установки для синтезу вуглецевих наноматеріалів шляхом оснащення її обладнанням, що дозволить забезпечити піролітичне розкладання газу, який утворюється в процесі електророзрядної обробки органічної 1 UA 83143 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 рідини і не повністю розклався в додатковому електророзрядному реакторі, і за рахунок цього збільшити вихід вуглецевих наноматеріалів. Поставлена задача вирішується тим, що установка для синтезу вуглецевих наноматеріалів, що містить електророзрядний реактор, який має заповнений робочою органічною рідиною циліндричний корпус з днищем, кришкою, підвідним та відвідним патрубками і позитивним електродом, який розміщений співвісно осі реактора, генератор імпульсних струмів, який з'єднаний з позитивним та негативним електродами електророзрядного реактора, бакнакопичувач, який встановлений вище рівня електророзрядного реактора і з'єднаний з його підвідним патрубком, фільтрувальний пристрій, який з'єднаний з відвідним патрубком електророзрядного реактора, насос, всмоктувальний патрубок якого з'єднаний з фільтрувальним пристроєм, а нагнітальний - з баком-накопичувачем, додатковий електророзрядний реактор, нижня частина якого з'єднана з верхньою частиною фільтрувального пристрою, а верхня трубопроводом відводу газу з'єднана з газозбірником водню, згідно з корисною моделлю, вона оснащена піролітичним реактором у вигляді термостійкого корпусу, на бічній поверхні якого закріплено нагрівальний елемент, кінці якого з'єднані з виводами автотрансформатора, та місткістю для збору вуглецевих наноматеріалів, нижня частина якої з'єднана з трубопроводом відводу газу з додаткового електророзрядного реактора, а верхня - з нижньою частиною піролітичного реактора, при цьому верхня частина піролітичного реактора з'єднана з газозбірником водню. Розкриваючи причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю суттєвих ознак і технічним результатом, необхідно відзначити таке. Ознаки «вона оснащена піролітичним реактором у вигляді термостійкого корпусу, на бічній поверхні якого закріплено нагрівальний елемент, кінці якого з'єднані з виводами автотрансформатора, та місткістю для збору вуглецевих наноматеріалів, нижня частина якої з'єднана з трубопроводом відводу газу з додаткового електророзрядного реактора, а верхня - з нижньою частиною піролітичного реактора, при цьому верхня частина піролітичного реактора з'єднана з газозбірником водню» дозволить забезпечити піролітичне розкладання газу, який утворюється в процесі електророзрядної обробки органічної рідини і не повністю розклався в додатковому електророзрядному реакторі, і за рахунок цього збільшити вихід вуглецевого наноматеріалу. Конструктивне виконання установки дає змогу варіювати режими плазмохімічної і піролітичної обробки газу, що дозволяє оптимізувати процес розкладання газу, який утворюється в процесі електророзрядної обробки органічної рідини. Корисна модель пояснюється кресленням, де зображено схему установки. Установка містить електророзрядний реактор 1, бак-накопичувач 2, фільтрувальний пристрій 3, насос 4, додатковий електророзрядний реактор 5, газозбірник водню 6, генератор імпульсних струмів 7. Установку оснащено піролітичним реактором 8 у вигляді термостійкого корпусу, на бічній поверхні якого закріплено нагрівальний елемент 9, та місткістю для збору вуглецевих наноматеріалів 10. Кінці нагрівального елемента 9 з'єднані з виводами автотрансформатора 11. Електророзрядний реактор 1 виконаний у вигляді циліндричного корпусу, який є одночасно негативним електродом, з днищем 12, кришкою 13 та позитивним електродом 14, який розміщений співвісно осі реактора. Робоча частина позитивного електрода 14 виконана у вигляді диска, що розміщений коаксіально всередині циліндричного корпусу. Підвідний патрубок 15 електророзрядного реактора 1 розміщений на днищі 12, а відвідний патрубок 16 - на бічній поверхні циліндричного корпусу в верхній його частині. Бак-накопичувач 2 за допомогою крана 17, трубопроводу 18 та крана 19 з'єднаний з патрубком 15 електророзрядного реактора 1. Фільтрувальний пристрій 3 за допомогою трубопроводу 20 з'єднаний з відвідним патрубком 16 електророзрядного реактора 1, а за допомогою насоса 4 та трубопроводу 21 - з бакомнакопичувачем 2. Верхня частина фільтрувального пристрою 3 за допомогою трубопроводу 22 з'єднана з нижньою частиною додаткового електророзрядного реактора 5. Додатковий електророзрядний реактор 5 складається з циліндричного корпусу, днища 23, кришки 24, позитивного електрода 25 і негативного електрода 26, які з'єднані високовольтними кабелями 27 з генератором імпульсних струмів 7, або з додатковим генератором імпульсних струмів (на кресленні не показано). Верхня частина додаткового електророзрядного реактора 5 з'єднана трубопроводом відводу газу 28 з нижньою частиною місткості для збору вуглецевих наноматеріалів 10, верхня частина якої з'єднана з нижньою частиною піролітичного реактора 8. Верхня частина піролітичного реактора 8 з'єднана з газозбірником водню 6 трубопроводом 29. 2 UA 83143 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Нагрівальний елемент 9, який виконаний, наприклад, у вигляді ніхромової спіралі, з'єднаний дротами 30 з автотрансформатором 11. Установка працює таким чином: Бак-накопичувач 2, що знаходиться в верхній частині установки, заповнюють робочою органічною рідиною, відкривають крани 17, 19 робоча рідина самопливом по трубопроводу 18 через підвідний патрубок 15 потрапляє в електророзрядний реактор 1 і заповнює його до рівня відвідного патрубка 16. Через відвідний патрубок 16 по трубопроводу 20 робоча рідина потрапляє у фільтруючий пристрій 3, звідки за допомогою насоса 4 по трубопроводу 21 перекачується в бак-накопичувач 2. Після досягнення режиму рівномірного прокачування робочої рідини на позитивний електрод 14 і негативний електрод 1 від генератора імпульсних струмів 7 подають імпульси високої напруги, величина якої забезпечує пробій міжелектродного проміжку. Дія високих температур і тисків, що виникають в результаті електричного пробою робочої рідини, призводить до її деструкції та зародження кластерів вуглецю і утворення газу, що містить вуглець та водень. При подальшому охолодженні і різкому зменшенні тиску, внаслідок розширення парогазової порожнини з кластерів вуглецю відбувається синтез вуглецевих наноматеріалів. Частоту посилань імпульсів вибирають з умов забезпечення формування вуглецевих наноматеріалів та їх видалення з зони обробки. Сформований вуглецевий наноматеріал і газ, що утворився, потоком робочої рідини витісняються через відвідний патрубок 16 та трубопровід 20 у фільтрувальний пристрій 3, де вони відділяються від робочої рідини. Твердий вуглецевий матеріал, видаляють з фільтрувального пристрою та піддають подальшому очищенню і збагаченню. Фільтрат накопичується в нижній частині фільтрувального пристрою 3, звідки за допомогою насоса 4 по трубопроводу 21 подається в бак-накопичувач 2 для подальшої обробки, а газ, що утворився, піднімається в верхню частину фільтрувального пристрою 3, звідки по трубопроводу 22 потрапляє у внутрішній об'єм додаткового електророзрядного реактора 5. В подальшому з генератора імпульсних струмів 7 або з додаткового генератора імпульсних струмів через високовольтні кабелі 27 подають напругу на електроди 25 і 26. В результаті пробою міжелектродного проміжку виникає плазмовий канал, температура в якому сягає 10000 К, що сприяє значному збільшенню швидкості реакції розкладання газу на кластери вуглецю, з яких відбувається синтез вуглецевих наноматеріалів, і водень. В залежності від типу оброблюваної органічної рідини та, відповідно, від типу газу, що при цьому утворюється, за допомогою генератора імпульсних струмів 7 вибирається режим обробки газу, що дозволяє керувати процесом плазмохімічного розкладання газу. Більша частина твердого вуглецевого матеріалу осідає на холодних внутрішніх поверхнях додаткового електророзрядного реактора 5, з яких його видаляють механічним способом, очищують і збагачують. Водень, частина твердого вуглецевого матеріалу та газ, який не розклався в додатковому електророзрядному реакторі 5, по трубопроводу 28 через місткість для збору вуглецевих наноматеріалів 10 потрапляють у піролітичний реактор 8. Після досягнення стабільного газовиділення в додатковому електророзрядному реакторі 5 з автотрансформатора 11 через дроти 30 на кінці нагрівального елемента (ніхромова спіраль) 9 подають напругу, величина якої забезпечує прогрів внутрішнього об'єму термостійкого корпусу піролітичного реактора 8 до температури, приблизно, 1200 К, що забезпечує здійснення процесу піролітичного розкладання газу, на тверді вуглецеві наноструктури, які осідають на дно місткості для збору вуглецевих наноматеріалів 10, та водень, який по трубопроводу 29 потрапляє у газозбірник водню 6, де відбувається його накопичення. Для підтвердження збільшення виходу вуглецевих наноматеріалів при використанні установки, що заявляється, був проведений порівняльний експеримент. Результати експерименту наведено в таблиці: 50 Таблиця Установка для синтезу вуглецевих наноматерів Прототип Установка, що заявляється Робоча органічна рідина гексан гексан Сумарна кількість імпульсів 1850 Вихід вуглецевих наноматеріалів відносно маси оброблюваної рідини, % 76 1850 87 3 UA 83143 U 5 Результати експерименту підтверджують зростання ефективності одержання вуглецевих наноматеріалів за допомогою установки, що заявляється. Таким чином, установка, що заявляється, дозволить забезпечити піролітичне розкладання газу, який утворюється в процесі електророзрядної обробки органічної рідини і не повністю розклався в додатковому електророзрядному реакторі, та за рахунок цього збільшити вихід вуглецевих наноматеріалів. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 20 25 Установка для синтезу вуглецевих наноматеріалів, що містить електророзрядний реактор, який має заповнений робочою органічною рідиною циліндричний корпус з днищем, кришкою, підвідним та відвідним патрубками і позитивним електродом, який розміщений співвісно осі реактора, генератор імпульсних струмів, який з'єднаний з позитивним та негативним електродами електророзрядного реактора, бак-накопичувач, який встановлений вище рівня електророзрядного реактора і з'єднаний з його підвідним патрубком, фільтрувальний пристрій, який з'єднаний з відвідним патрубком електророзрядного реактора, насос, всмоктувальний патрубок якого з'єднаний з фільтрувальним пристроєм, а нагнітальний - з баком-накопичувачем, додатковий електророзрядний реактор, нижня частина якого з'єднана з верхньою частиною фільтрувального пристрою, а верхня трубопроводом відводу газу з'єднана з газозбірником водню, яка відрізняється тим, що установка оснащена піролітичним реактором у вигляді термостійкого корпусу, на бічній поверхні якого закріплено нагрівальний елемент, кінці якого з'єднані з виводами автотрансформатора, та ємністю для збору вуглецевих наноматеріалів, нижня частина якої з'єднана з трубопроводом відводу газу з додаткового електророзрядного реактора, а верхня - з нижньою частиною піролітичного реактора, причому верхня частина піролітичного реактора з'єднана з газозбірником водню. Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4